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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

INFLUÊNCIA DO MATERIAL, TIPO DE ESCOAMENTO E PROTEÇÃO TRANSPARENTE SOBRE O DESEMPENHO DO COLETOR DE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO.

Aline Marques Moraes Arouca

Uberlândia - MG - Brasil 2010

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE UBERLÂNDIA

FACULDADE DE ENGENHARIA QUÍMICA

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA

INFLUÊNCIA DO MATERIAL, TIPO DE ESCOAMENTO E PROTEÇÃO TRANSPARENTE SOBRE O DESEMPENHO DO COLETOR DE UM AQUECEDOR SOLAR DE BAIXO CUSTO.

Aline Marques Moraes Arouca

Dissertação de mestrado apresentada ao

Programa de Pós-Graduação em Engenharia

Química da Universidade Federal de

Uberlândia como parte dos requisitos

necessários à obtenção do título de Mestre em

Engenharia Química, área de concentração em

Pesquisa e Desenvolvimento de Processos

Químicos.

Uberlândia - MG - Brasil 2010

DISSERTAÇÃO DE MESTRADO SUBMETIDA AO PROGRAMA DE PÓS-

GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA QUÍMICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DE

UBERLÂNDIA COMO PARTE DOS REQUISITOS PARA OBTENÇÃO DO TÍTULO DE

MESTRE EM ENGENHARIA QUÍMICA, EM 26 DE AGOSTO DE 2010.

BANCA EXAMINADORA:

Prof. Dr. João Jorge Ribeiro Damasceno

(PPG-EQ/UFU) - Orientador

Prof. Dr. Luiz Gustavo Martins Vieira

(PPG-EQ/UFU) – Co-orientador

Profa. Dra. Érika Otta Watanabe

(FEQ/UFU)

Profa. Dra. Juliana de Souza Ferreira

(FEQ/UFU)

Prof. Dr. João Inácio Soletti

(PPG-EQ/UFAL)

Dedico este trabalho a todos aqueles que acreditam que sua fé e suas ações podem contribuir para transformar o mundo, renovando as idéias e formando melhores cidadãos.

AGRADECIMENTOS

A Deus, primeiramente, por ser a razão da minha vida e o alvo da minha vocação,

por me indicar o caminho a seguir e me guiar por ele, estando ao meu lado por todos os meus

dias.

Ao meu esposo, Fábio de Oliveira Arouca, pelo amor, carinho, cuidado, apoio,

companheirismo e por fazer tudo o que está ao seu alcance para suprir mais que apenas

minhas necessidades.

Aos meus pais, Elias S. Moraes e Liliana M. Moraes, por todo amor, carinho, apoio

e constantes orações pela minha felicidade e por meu sucesso. Aos meus irmãos, Thaís, David

e Daniel, pela compreensão, amor, carinho e confiança com que se relacionam comigo, em

todas as áreas das nossas vidas.

Aos amigos tão chegados quanto irmãos, Léa Anny (cunhada), Everton, Valéria,

Janayna, Danielle, Luciana e Fredson, pela felicidade que nossa amizade me proporciona e

pelas orações para que sempre aconteçam coisas boas em minha vida.

Aos meus sogros, Edson Peres Arouca e Maria Valéria O. Arouca, e cunhado,

Thales O. Arouca, por todo amor, carinho e por torcerem pelas minhas conquistas.

Ao Prof. João Jorge Ribeiro Damasceno pelo incentivo, respeito, carinho e

confiança com que conduz nossa convivência.

Ao Prof. Luiz Gustavo Martins Vieira, pela dedicação, paciência, polidez, respeito e

por todo o tempo dispensado para propiciar uma boa qualidade a este trabalho.

Às colegas Ana Cláudia F. Mendes e Natália Maira B. Oliveira, pelo interesse,

capricho e dedicação com que realizaram cada atividade proposta, se tornando indispensáveis

para a realização deste trabalho. Aos colegas de turma Daniela Leles, Janaina Fischer, Bruno

Arantes, Letícia Castejon, Cíntia Ferreira e Wayler Santos e à amiga Kássia Graciele, pelo

companheirismo e apoio, sempre que necessários.

Aos técnicos e funcionários Silvino, José Henrique, Anísio, Rodrigo, Zuleide,

Roberta, Cléo e D. Ione, por toda prontidão, ajuda e paciência para resolver pequenos e

freqüentes imprevistos.

Ao Sr. Joselias Cabral de Oliveira, pelas sugestões, colaboração e apoio para que

obtivéssemos todo o equipamento e conhecimento necessários à execução deste trabalho.

Enfim, agradeço a todos os que colaboraram direta ou indiretamente para realização

deste trabalho.

“Não vos conformeis com este mundo, mas transformai-vos pela

renovação da vossa mente, para que experimenteis qual seja a boa,

agradável e perfeita vontade de Deus.” (Rm 12.2)

SUMÁRIO

Lista de Tabelas i

Lista de Figuras ii

Simbologia viii

Resumo xi

Abstract xii

1 – INTRODUÇÃO ..................................................................................................................1

2 – REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..........................................................................................5

2.1 – Estudo da Radiação Solar ..................................................................................................6

2.1.1 – A Constante Solar ...........................................................................................................8

2.2 – Relações Angulares Sol-Terra ...........................................................................................8

2.3 – Radiação Extraterrestre na Superfície Horizontal ...........................................................13

2.4 – Índice de Claridade Atmosférica .....................................................................................14

2.5 – Radiação Solar Incidente no Plano Inclinado ..................................................................15

2.6 – Estudo Teórico dos Coletores ..........................................................................................19

2.7 – Os Sistemas de Aquecimento Solar de Água...................................................................21

2.7.1 – Sistema Convencional de Aquecimento de Água.........................................................23

2.7.2 – Sistema ASBC...............................................................................................................24

2.7.3 – Estudos para o Desenvolvimento dos Sistemas de Energia Térmica Solar..................26

3 – MATERIAL E METODOLOGIA ..................................................................................33

3.1 – Unidade Experimental .....................................................................................................33

3.1.1 – Aquecedor Solar Convencional ....................................................................................35

3.1.2 – Aquecedores Solares Alternativos ................................................................................35

3.1.3 – Sistema De Aquisição de Dados ...................................................................................36

3.1.4 – Bombas .........................................................................................................................38

3.1.5 – Termopares ...................................................................................................................38

3.2 – Metodologia .....................................................................................................................39

3.2.1 – Ensaios Passivos em Regime Batelada .........................................................................40

3.2.2 – Ensaios Ativos em Regime Batelada ............................................................................40

3.2.3 – Ensaios com Presença de Placa de Proteção Transparente, em Regime Batelada .......41

3.2.4 – Ensaios Contínuos ........................................................................................................42

4 – RESULTADOS E DISCUSSÃO ......................................................................................43

4.1 – Sistema Termossifão ........................................................................................................44

4.2 – Sistemas Ativos ...............................................................................................................49

4.2.1 – Bombeamento a 20 L/h .................................................................................................49

4.2.2 – Bombeamento a 40 L/h .................................................................................................52

4.2.3 – Bombeamento a 60 L/h .................................................................................................55

4.3 – Presença de Placa de Proteção Transparente ...................................................................59

4.3.1 – Termossifão com Presença de Placa de Proteção Transparente em Regime Batelada..60

4.3.2 – Ensaios Ativos com Presença de Placa de Proteção Transparente em Regime

Batelada.....................................................................................................................................62

4.3.2.1 – Vazão de 20 L/h .........................................................................................................62

4.3.2.2 – Vazão de 40 L/h .........................................................................................................64

4.3.2.3 – Vazão de 60 L/h .........................................................................................................65

4.4 – Ensaios Regime Contínuo ...............................................................................................68

4.4.1 – Sistema Termossifão .....................................................................................................69

4.4.2 – Sistemas Ativos ............................................................................................................71

4.4.2.1 – Vazão de 20 L/h .........................................................................................................72

4.4.2.2 – Vazão de 40 L/h .........................................................................................................74

4.4.2.3 – Vazão de 60 L/h .........................................................................................................77

5 – CONCLUSÃO ...................................................................................................................82

ANEXO A - RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS TERMOSSIFÃO REALIZADOS

NO AQUECEDOR SOLAR CONVENCIONAL.................................................................85

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS .................................................................................86

APÊNDICE A – DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA PARA OS DE MAIS

EXPERIMENTOS .................................................................................................................90

A.1 – Experimentos Termossifão .............................................................................................90

A.2 – Experimentos Ativos ......................................................................................................96

A.2.1 – Bombeados a 20 L/h ....................................................................................................96

A.2.2 – Bombeados a 40 L/h ..................................................................................................100

A.2.3 – Bombeados a 60 L/h ..................................................................................................102

APÊNDICE B – CURVAS DE CALIBRAÇÃO ................................................................105

APÊNDICE C – METODOLOGIA TEÓRICA PARA A REALIZAÇÃO DO

CÁLCULO DO TEMPO DE RESIDÊNCIA PARA O SISTEMA

TERMOSSIFÃO...................................................................................................................107

APÊNDICE D – CARACTERÍSTICAS OBSERVADAS NOS DIAS DOS ENSAIOS.108

i

LISTA DE TABELAS Tabela 2.1 - Valores do albedo para diferentes tipos de superfície......................................7 Tabela 2.2 - Conversão de data para um número ordinal compreendido entre 1 e 365,

tomando por base o dia médio de cada mês.....................................................9 Tabela 3.1 - Características dos coletores solares alternativos..........................................36 Tabela 4.1 - Valores do somatório da radiação total sobre o plano inclinado...................47 Tabela 4.2 - Calor útil e eficiência diária para ensaios em sistema termossifão................48 Tabela 4.3 - Temperatura máxima obtida em cada ensaio ativo (20 L/h)........................50 Tabela 4.4 - Radiação total, calor útil absorvido e eficiência diária (20 L/h)....................51 Tabela 4.5 - Radiação total, calor útil absorvido e eficiência diária (40 L/h)....................54 Tabela 4.6 - Temperatura máxima obtida em cada ensaio ativo (40 L/h)........................55 Tabela 4.7 - Radiação total, calor útil absorvido e eficiência diária (60 L/h)....................57 Tabela 4.8 - Temperatura máxima obtida em cada ensaio ativo (60 L/h)........................58 Tabela 4.9 - Valores calculados de radiação incidente sobre coletores inclinados para

experimentos batelada com presença de placa de proteção transparente.......60 Tabela 4.10 - Temperatura máxima e eficiência diária para ensaios com e sem proteção

transparente....................................................................................................67 Tabela 4.11 - Tempo de Residência para cada configuração...............................................68 Tabela 4.12 - Síntese dos resultados do experimento contínuo...........................................80 Tabela A.1 - Eficiência e Temperatura dos Reservatórios..................................................85 Tabela D.1 - Características Climáticas dos Dias de Ensaio............................................108

ii

LISTA DE FIGURAS Figura 2.1 - Esquema da Utilização da Energia Solar.........................................................5 Figura 2.2 - Componentes da radiação solar incidente na superfície terrestre....................6 Figura 2.3 - Esquema da relação geométrica sol-terra........................................................7 Figura 2.4 - Posição aparente do sol em torno da Terra....................................................10 Figura 2.5 - Ângulo zenital, altura solar, inclinação e azimute do coletor solar...............10 Figura 2.6 - Ângulo zenital para uma superfície horizontal e ângulo de incidência para

um plano inclinado........................................................................................11 Figura 2.7 - Radiação nas superfícies horizontal e inclinada............................................12 Figura 2.8 - Um exemplo da freqüência de ocorrência de dias com vários índices de

claridade e a freqüência acumulada desses dias............................................15 Figura 2.9 - Esquema de um Aquecedor Solar Convencional (imagem disponibilizada no

site da sociedade do sol)................................................................................24 Figura 2.10 - Sistema ASBC (imagem disponibilizada no site da sociedade do sol).........25 Figura 2.11 - Caixa quente construída por Saussure (site solarcooking.org).....................26 Figura 3.1 - Unidade Experimental...................................................................................34 Figura 3.2 - Esquema representativo do Coletor Convencional de Cobre........................35 Figura 3.3 - Desenho Esquemático dos Coletores Alternativos........................................36 Figura 3.4 - Posição dos termopares na Unidade Experimental........................................37 Figura 3.5 - Esquema do Sistema de Aquisição de Dados................................................37 Figura 3.6 - Desenho representativo de um termopar de isolamento mineral...................38 Figura 3.7 - Esquema da sobreposição da placa de proteção transparente ao coletor solar

alternativo......................................................................................................41 Figura 4.1 - Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente,

realizado no dia 06/07/2009, no coletor alternativo de PP............................44 Figura 4.2 - Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente,

realizado no dia 06/07/2009, no coletor alternativo de PVC.........................45 Figura 4.3 - Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente,

realizado no dia 29/07/2009, no coletor alternativo de PP............................46 Figura 4.4 - Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente,

realizado no dia 29/07/2009, no coletor alternativo de PVC.........................46 Figura 4.5 - Experimento bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção

transparente, realizado no dia 11/08/2009, no coletor alternativo de PP.......49 Figura 4.6 - Experimento bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção

transparente, realizado no dia 11/08/2009, no coletor alternativo de PVC...50 Figura 4.7 - Experimento bombeado a 40 L/h, em regime batelada e sem proteção


transparente, realizado no dia 11/09/2009, no coletor alternativo de PVC...53 Figura 4.9 - Experimento bombeado a 60 L/h, em regime batelada e sem proteção


transparente, realizado no dia 16/11/2009, no coletor alternativo de PVC...56 Figura 4.11 - Experimento termossifão, em regime batelada e com proteção transparente,

realizado no dia 04/02/2010, no coletor alternativo de PP............................60 Figura 4.12 - Experimento termossifão, em regime batelada e com proteção transparente,

realizado no dia 04/02/2010, no coletor alternativo de PVC.........................61

iii

Figura 4.13 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 19/01/2010, no coletor alternativo de PP.......62

Figura 4.14 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 19/01/2010, no coletor alternativo de PVC...63


Figura 4.16 - – Experimento ativo bombeado a 40 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 01/02/2010, no coletor alternativo de PVC...65


Figura 4.18 - Experimento ativo bombeado a 60 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 20/01/2010, no coletor alternativo de PVC...66

Figura 4.19 - Experimento termossifão, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 07/04/2010, no coletor alternativo de PP............................69

Figura 4.20 - Experimento termossifão, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 07/04/2010, no coletor alternativo de PVC.........................70

Figura 4.21 - Experimento termossifão, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 17/04/2010, no coletor alternativo de PP............................70

Figura 4.22 - Experimento termossifão, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 17/04/2010, no coletor alternativo de PVC.........................71

Figura 4.23 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 19/03/2010, no coletor alternativo de PP.......72

Figura 4.24 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 19/03/2010, no coletor alternativo de PVC...73

Figura 4.25 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 15/04/2010, no coletor alternativo de PP.......73

Figura 4.26 - Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 15/04/2010, no coletor alternativo de PVC...74









Figura A.1 - Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 01/07/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC.........90


iv










Figura A.12 - Experimento ativo, bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 15/07/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC................................................................................................................96





Figura A.17- Experimento ativo, bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 12/08/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC................................................................................................................98

Figura A.18- Experimento ativo, bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 13/08/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC................................................................................................................99


Figura A.20 - Experimento ativo, bombeado a 40 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 15/08/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC..............................................................................................................100


v









Figura B.1 - Fotografia da bomba peristáltica com inversor de freqüência.....................105 Figura B.2 - Curva de Calibração da Bomba acoplada ao coletor de forro de PVC........105 Figura B.3 - Curva de Calibração da Bomba acoplada ao coletor de Polipropileno.......106

vi

SIMBOLOGIA [SI]

Ac – Área Útil do Coletor [m2]

cp – Calor Específico [J. kg-1.ºC-1]

dc – Diâmetro do Canal [m]

G – Fluxo de Radiação na Superfície Horizontal [W. m-2]

G0 – Radiação Extraterrestre Instantânea [W. m-2]

Gn – Radiação Normal [W. m-2]

GT – Radiação na Superfície Inclinada [W. m-2]

Gsc – Constante Solar [W. m-2]

H – Radiação Diária [J. m-2]

H0 – Radiação Extraterrestre Diária na Superfície Horizontal [J. m-2]

Hd – Radiação Difusa Horária no Plano Horizontal [J. m-2]

hc – Altura do Canal [m]

I – Radiação Horária Total no Plano Horizontal [kJ. m-2]

I0 – Radiação Horária Extraterrestre na Superfície Horizontal [kJ. m-2]

Ib – Radiação Direta no Plano Horizontal [kJ. m-2]

Id – Radiação Difusa no Plano Horizontal [kJ. m-2]

IT – Radiação Total na Superfície Inclinada [kJ. m-2]

IbT – Radiação Direta na Superfície Inclinada [kJ. m-2]

IdT – Radiação Difusa na Superfície Inclinada [kJ. m-2]

k – Condutividade Térmica [W. m-1. C-1]

kT – Índice de Claridade [-]

KT – Índice de Claridade Diário [-]

mɺ - Vazão Mássica [kg . s-1]

vii

n – Número de um Determinado Dia no Ano [-]

Pt – Coeficiente Global de Perdas [-]

Q – Calor Líquido [J]

Qa – Calor Absorvido pelo Coletor [J]

Qp – Calor Perdido pelo Coletor [J]

Qu – Calor útil [J/s]

Rb – Fator Geométrico: Razão entre IbT e Ib [-]

Rd – Razão entre IdT e Id [-]

T – Temperatura [ºC]

Ta , ta – Temperatura Ambiente [ºC]

tp – Temperatura da Placa Coletora [ºC]

te – Temperatura da Água na Entrada do Coletor [ºC]

ts – Temperatura da Água na Saída do Coletor [ºC]

t – Tempo [s]

u – Umidade [%]

V – Volume [L]

X – Largura [m]

Y – Comprimento [m]

Z – Espessura [m]

Letras gregas

τ - Transmissividade

ρ - Refletividade (albedo)

α - Absortividade

viii

φ - Latitude

β - Inclinação da placa

γ - Ângulo Azimutal da Superfície

δ - Declinação

ω - Ângulo horário

ωs - Ângulo horário do pôr-do-sol

θ - Ângulo de incidência

θ z - Ângulo zenital

ϕ - Ângulo de altitude solar

η - Eficiência térmica Instantânea [%]

ηt – Eficiência Térmica Horária [%]

ηd - Eficiência Térmica Diária [%]

ix

RESUMO

A civilização moderna caracteriza-se por um grande e desordenado consumo de energia. Sendo o sol uma fonte de energia renovável, não poluente e inesgotável, a exploração de sua luz e calor se torna, sem dúvida, uma das alternativas energéticas mais promissoras da atualidade. Recentemente, estudos têm contribuído no sentido de incentivar o uso domiciliar da energia solar, dentre outros, a fim de substituir o uso da energia convencional. A indústria dos coletores solares vem se aperfeiçoando, com o intuito de obter uma menor perda térmica e, conseqüentemente, um melhor aproveitamento da energia solar. O uso de material alternativo para a construção das placas coletoras vem sendo amplamente pesquisado. O presente trabalho tem como objetivo avaliar e comparar o desempenho de dois Aquecedores Solares de Baixo Custo (ASBC) que utilizam PVC e Polipropileno como matéria-prima da placa coletora. Foram realizados ensaios passivos (circulação natural) e ativos (circulação forçada por bombas peristálticas), associados a algumas mudanças de configuração na unidade experimental. Tais ensaios foram realizados no principal período de insolação do dia, sendo os valores de temperatura obtidos por um sistema de monitoramento e aquisição de dados em tempo real. As informações obtidas, aliadas ao conhecimento dos valores da radiação solar fornecidos por um centro de pesquisas meteorológicas, o Instituto Nacional de Meteorologia (INMET), possibilitaram o cálculo da eficiência dos coletores, sendo esta definida pela razão entre o calor absorvido pelas placas e a radiação total incidente sobre as mesmas. Uma análise das temperaturas máximas atingidas pelos sistemas ‘placa+boiler’, dos gradientes de temperatura alcançados em cada configuração, bem como o conhecimento do tempo e da temperatura obtidos na simulação de banhos que utilizam água proveniente do reservatório de cada coletor alternativo, levam à conclusão de que o uso do coletor de PP, aliado à configuração mais simples estudada (termossifão sem proteção transparente), proporciona água a uma temperatura agradável para uso doméstico. Tal configuração para o ASBC apresenta como vantagens, além do custo acessível à parte da população que ainda não dispões dessa tecnologia, a facilidade de manuseio e uma contribuição favorável para a ecoeficiência e conservação do meio ambiente. PALAVRAS-CHAVES: polipropileno; radiação solar; energia solar; ASBC; PVC; aquecimento solar.

x

ABSTRACT

Modern civilization is characterized by a large and disorganized energy consumption. As the sun a renewable energy source, clean and inexhaustible, the operation of its light and heat becomes undoubtedly one of the most promising energy alternatives for this days. Recent studies have helped to encourage the domestic use of solar energy, among others, to replace the use of conventional energy. The industry of solar collectors has been improved, in order to get a lower heat loss and thus a better utilization of solar energy. The use of alternative materials for the construction of collecting plates has been widely researched. This study aims to evaluate and compare the performance of two Low Cost Solar Heaters (LCSH) using PVC and polypropylene as raw material of the collector plate. Assays were performed passive (natural circulation) and active (forced circulation by peristaltic pumps) and with some setup changes in the experimental unit. These tests were performed in the main period of sunshine of the day, with the temperature values obtained by a monitoring system and data acquisition in real time. The information obtained, together with the knowledge of the values of solar radiation provided by a meteorological research center, the National Institute of Meteorology (INMET – Instituto Nacional de Meteorologia), allowed the calculation of the efficiency of the collectors, the latter being defined by the ratio of heat absorbed by the plates and radiation total incident on them. Analysis of maximum temperatures attained by the systems 'boiler plate +', the temperature gradients achieved in each setting, as well as knowledge of time and temperature obtained in the simulation of baths that use water from the reservoir of each backup catcher, lead to conclusion that the use of collector PP, together with the simplest configuration studied (thermosyphon without protection cover), provides water at a temperature for domestic use. This configuration for the ASBC has the advantages, in addition to the affordability of the population that does not yet have this technology, ease of handling and a positive contribution to eco-efficiency and environmental conservation. KEYWORDS: polypropylene; solar radiation; solar energy; LCSH; PVC; solar heating.

CAPÍTULO I

INTRODUÇÃO

A civilização moderna caracteriza-se por um grande e desordenado consumo de

energia (SOUZA, 1994), o que nos leva a concluir que o abastecimento energético mundial é

um dos grandes desafios da atualidade.

Para suprir tal necessidade energética, o estudo de alternativas energéticas

provenientes dos recursos naturais renováveis vem sendo desenvolvido. Entre essas fontes

alternativas de energia, podem-se destacar o estudo das energias: solar, eólica, biomassa e de

ondas e marés. Sendo o sol uma fonte de energia renovável, não poluente e inesgotável, a

utilização de sua luz e calor se torna, sem dúvida, uma das alternativas energéticas mais

promissoras da atualidade. Levando-se em consideração a localização privilegiada do Brasil

(entre a linha do Equador e o trópico de Capricórnio), são realizadas pesquisas para o

desenvolvimento e aprimoramento de equipamentos que buscam uma maior eficiência na

utilização da energia solar. Seu uso proporciona a economia de fontes mais caras de energia e

baixo custo financeiro dos equipamentos, dentre outros benefícios.

O objetivo do uso da energia solar, no Brasil, é apenas auxiliar na redução dos

gastos provenientes da utilização da energia convencional. A tecnologia do aquecedor solar já

vem sendo utilizada no país desde a década de 60, ficando mais ‘conhecida’ nos anos 70, por

causa da crise de petróleo. Nos anos 80 houve uma melhora na qualidade dos produtos devida

aos primeiros testes de equipamentos e ao surgimento das primeiras normas da ABNT –

Associação Brasileira de Normas Técnicas – específicas para o setor. Na década de 90

surgiram, além das novas normas da ABNT, laboratórios especializados e criou-se a

ABRAVA – Associação Brasileira de Refrigeração, Ar Condicionada, Ventilação e

Aquecimento (site Soletrol).

No entanto, mesmo considerando as inúmeras vantagens do uso de tal tecnologia, de

acordo com Departamento Nacional de Aquecimento Solar (DASOL), o Brasil ainda ocupa

uma posição fraca no mercado internacional quando comparado com países europeus e

asiáticos (AZEVEDO; BESTETI, 2007). Alguns fatores contribuem para a dificuldade de

disseminação da tecnologia térmica solar no país (RODRIGUES; MATAJS, 2004):

Capítulo I – Introdução_____________________________________________________ 2

o Apesar da tecnologia ser vista no país como uma fonte de energia renovável,

ela apresenta altos custos iniciais aos consumidores (~ US$ 100/m2), se

comparado com o chuveiro elétrico (maior competidor da tecnologia de

aquecimento solar de água);

o Os ASA – Aquecedores Solares de Água – precisam ganhar a confiança dos

consumidores, que por sua vez ainda vêem os chuveiros como uma

tecnologia mais acessível (preços entre R$ 20,00 a R$ 300,00) e provada

para o aquecimento de água, apesar do alto consumo de energia do

equipamento;

o Existência de tubulações e infra-estrutura elétrica limitada à instalação de

chuveiros na maioria das residências brasileiras, sem a dupla tubulação

necessária à distribuição de água quente gerada pelos ASA, padrão que tem

sido reforçado por códigos de obras municipais adaptados aos chuveiros;

o Pelo fato dos ASA serem considerados caros e difíceis de manejar, os

arquitetos não estabeleceram um repertório de possibilidades estéticas de

incorporação dos coletores, os projetistas têm dificuldades em acessar as

informações corretas sobre a insolação, os encanadores cometem erros de

instalação, etc.

No Brasil tem sido realizados estudos, como os de LIMA; PRADO (2003),

ARRUDA (2004), RÍSPOLI (2008) e SIQUEIRA (2009), cujos objetivos são, basicamente,

avaliar projetos de aquecedores solares alternativos (seja na mudança da configuração de

montagem, no uso de material de baixo custo na fabricação do sistema e na adequação do

sistema às condições locais durante a instalação, por exemplo) que apresentem desempenhos

térmicos semelhantes aos dos aquecedores solares convencionais, porém com um custo

reduzido para o consumidor.

Em 2007, o custo para aquisição do aquecedor solar variava entre R$ 1,5 mil e R$ 3

mil para uma família com quatro pessoas. Para contornar o problema do alto custo, alguns

bancos, como a Caixa Econômica Federal, passaram a oferecer linhas de crédito com

condições especiais para facilitar as vendas de aquecedores.

Atualmente, segundo dados da ABRAVA, o Brasil conta com uma área total

acumulada de 5.245.085 m² de coletores solares, o que equivale a uma capacidade instalada


de 3.671,5 MW de energia solar térmica. De 2001 a 2009, quase 4 milhões de m² de coletores

foram acrescidos ao parque nacional.

O interesse em se realizar estudos nesta área tem como justificativas:

o A produção de calor com menor impacto ambiental desde a fabricação até a operação

do sistema, sendo observadas para isso a conservação dos recursos hídricos, a redução

da emissão de CO2 e a consideração de aplicação de matérias-primas recicláveis;

o Sistema mais econômico (menor custo de fabricação e facilidade de aquisição), porém

durável e com pouca expectativa de falha durante a operação;

o Utilização da luz solar como fonte de energia renovável, segura e gratuita;

o Aproveitamento das condições adequadas de insolação no Brasil (mais

especificamente, no Município de Uberlândia);

o Possibilidade da utilização de materiais alternativos e reciclados na construção da

placa coletora, boiler e acessórios;

o Redução do consumo de energia elétrica e direcionamento deste capital para outras

despesas do orçamento familiar;

o Colaboração com os programas de divulgação já existentes sobre aquecedores de

baixo custo;

o Conscientização das pessoas acerca dos benefícios trazidos pelos aquecedores solares

a fim de gerar novos agentes multiplicadores no Estado de Minas Gerais;

o Desenvolvimento de tecnologia dentro da cidade e treinamento de pessoas

(professores, graduandos, mestrandos, técnicos, etc.).

Objetivos

O objetivo deste trabalho é avaliar a eficiência de materiais alternativos (a saber:

PVC e Polipropileno) na construção da placa coletora de energia solar, que viabilize

economicamente o uso do aquecimento solar da água pela parte da população brasileira que

ainda não dispõe desta tecnologia.

Para isso, alguns pontos de estudo são ressaltados:


i. Estudo da dinâmica de um aquecedor solar de baixo custo (eficiência, gradiente de

temperatura, taxas de escoamento pelo coletor, perturbações causadas pela entrada de

fluido frio no boiler; perturbações causadas pela retirada de fluido quente do boiler);

ii. Estudo da dinâmica do aquecedor solar de baixo custo em função da utilização de

materiais alternativos para a placa coletora, tais como PVC e polipropileno;

iii. Estudo da dinâmica do aquecedor solar de baixo custo em função da inserção de uma

proteção de material transparente sobre a placa coletora;

iv. Estudo da dinâmica do aquecedor solar de baixo custo em função da circulação de

fluido de maneira natural (termossifão) e forçada;

v. Estudo da dinâmica do aquecedor solar de baixo custo na forma batelada e contínua;

vi. Aplicação da metodologia do tratamento geoestatístico referente às taxas de irradiação

e velocidade dos ventos disponíveis para a cidade de Uberlândia, necessários à

execução experimental e estudos teóricos dos aquecedores solares de baixo custo;

vii. Cálculo do tempo de residência do fluido nos coletores a fim de comparar os efeitos da

radiação solar, uma vez que as placas coletoras possuem volumes distintos;

viii. Aprimoramento dos coletores de energia solar de baixo custo, tornando-os mais

eficientes e acessíveis às famílias de menor renda.

CAPÍTULO II

REVISÃO BIBLIOGRÁFICA

A energia proveniente do sol tem sido a fonte de praticamente toda energia

consumida pelo homem. (SOUZA, 1994). Pode-se citar como exemplo de energia que não

têm como fonte a energia solar, os combustíveis utilizados em fissão e fusão nucleares, e

também parte das energias provenientes das marés.

Sabe-se que desde os primórdios da humanidade, o homem derivava seus recursos

energéticos, direta ou indiretamente, quase que exclusivamente do sol. Podemos citar como

exemplo o uso geral da madeira para aquecimento e o uso de animais para transporte, sendo

estas duas espécies de energia proporcionadas pela fotossíntese (PALZ, 2002).

As biomassas, o ciclo hidrológico, a circulação atmosférica têm como principal fonte

motora a energia solar, assim como o petróleo, o carvão de pedra, o xisto betuminoso, a turfa,

a linhita e o gás natural são constituídos de resíduos de plantas e animais fossilizados

anaerobicamente, sendo que estes, originariamente, usaram a energia solar (fotossíntese) antes

de serem acumulados sob a presente forma. A Figura 2.1 esquematiza as diversas formas de

utilização da energia solar pelo homem.

Figura 2.1 – Esquema da Utilização da Energia Solar (fonte: SOUZA, 1994).

Capítulo II – Revisão Bibliográfica____________________________________________ 6

A energia do sol anualmente captada pela terra representa cinco a dez vezes todas as

reservas de combustíveis conhecidas, inclusive o urânio. A energia solar é uma energia limpa

com propriedade bactericida em virtude da presença dos raios ultravioletas (BEZERRA,

1998).

O presente trabalho analisa diferentes sistemas de coleta de energia solar. Nos

tópicos a seguir serão apresentados os fundamentos teóricos utilizados para a análise da

radiação recebida, bem como as equações utilizadas para avaliação e abordagem dos sistemas

de energia solar propriamente ditos.

2.1 ESTUDO DA RADIAÇÃO SOLAR

A estrutura e as características do sol determinam a natureza da energia que irradia

pelo espaço (DUFFIE; BECKMAN, 1980).

A radiação solar é de natureza direta (proveniente do disco solar para os respectivos

dias de insolação e que não sofre interação com a atmosfera terrestre), difusa (oriunda da

atmosfera) e refletida. A soma destas parcelas de radiação é a radiação global. A Figura 2.2

mostra o esquema da decomposição da radiação solar pela atmosfera.

Figura 2.2 – Componentes da radiação solar incidente na superfície terrestre (fonte:

OLIVEIRA, 1997; apud RÍSPOLI, 2008).


OLIVEIRA (1997) apud RÍSPOLI (2008) define a componente refletida, ou albedo,

como constituída pela parcela de radiação que é refletida ao atingir o solo. LIU; JORDAN

(1963), apud SIQUEIRA (2009) sugeriram um valor de 0,2 para o albedo quando não há neve

no meio circundante. RÍSPOLI (2008) disponibilizou alguns valores para a refletividade do

solo (ou albedo), que podem ser vistos na Tabela 2.1.

Tabela 2.1 – Valores do Albedo para Diferentes Tipos de Superfície (fonte: RÍSPOLI, 2008).

Tipos de Superfície Albedo (%)

Solo negro e seco 14

Solo nú 7 a 20

Areia 15 a 25

Florestas 3 a10

Campos naturais 3 a 15

Campos de cultivo seco 20 a 25

Gramados 15 a 30

Neve recém caída 80

Neve caída há semanas 50 a 70

Água com altura solar > 40º 2 a 4

Água com altura solar < 30º 6 a 40

Cidades 4 a 18

A Figura 2.3 mostra o esquema da relação geométrica sol-terra. Observa-se que a

distância entre o Sol e a Terra varia de 1,7% por causa da excentricidade da órbita da Terra. À

distância média entre sol-terra de uma unidade astronômica (1,495 x 1011m), o sol subtende

um ângulo de 32' (DUFFIE; BECKMAN, 1980).

Figura 2.3 – Esquema da relação geométrica sol-terra (fonte: DUFFIE; BECKMAN, 1980).


Sabe-se que o fluxo de energia solar que chega até a atmosfera terrestre varia com o

inverso do quadrado da distância até o centro do sol (analisando-se a partir da fotosfera),

sendo, portanto, bem menor que sua intensidade nas proximidades do sol (RÍSPOLI, 2008).

2.1.1 A CONSTANTE SOLAR

A constante solar (GSC) pode ser definida como o fluxo de radiação solar que chega

ao topo da atmosfera terrestre e é recebido em uma superfície perpendicular à direção do sol.

Ou seja, é a quantidade de energia radiante do sol que incide perpendicularmente a uma

unidade de superfície na ausência de partículas (topo da atmosfera) a uma distância média

Terra-sol. Vários valores já foram sugeridos para a constante solar (GSC), sendo que, para sua

determinação, medições foram feitas na superfície da Terra e seus valores foram extrapolados

para fora da atmosfera. De acordo com SIQUEIRA (2009), o valor de GSC é em média 1353

W/m2, conforme NBR 10.184 (‘Coletores Solares Planos para Líquidos’- Determinação do

Rendimento Térmico, 1983). Com o avanço da tecnologia, o uso de balões meteorológicos e

de satélites permite a proposta de valores mais precisos para GSC, sendo considerado por

DUFFIE; BECKMAN (1991) apud RÍSPOLI (2008) o valor mais específico de 1367 W/m2

(RÍSPOLI, 2008).

2.2 RELAÇÕES ANGULARES SOL-TERRA

As relações geométricas para se determinar a posição de um ‘ponto’ na superfície da

terra em relação aos raios solares serão apresentadas a seguir. Para melhor entendê-las, torna-

se necessário o conhecimento de algumas definições importantes. De acordo com SIQUEIRA

(2009), tem-se que:

o Latitude (φ) − localização angular norte ou sul do Equador, hemisfério norte

positivo ( 90º 90ºφ− ≤ ≤ ).

o Inclinação do coletor solar (β) – ângulo entre a horizontal e o plano da

superfície em questão (0º 180ºβ≤ ≤ ).

o Ângulo de Incidência (θ) – ângulo entre a normal à superfície inclinada e a

radiação direta.

o Ângulo Horário (ω) – deslocamento angular do sol para leste ou oeste do

meridiano local, devido à rotação da Terra no seu eixo em 15º por hora; de


manhã é negativo e à tarde, positivo. Os ângulos horários limites que

compreendem o período de integração são: ω1 e ω2.

o Ângulo Zenital (θz) – ângulo formado entre os raios solares e a vertical.

o Altura Solar (ϕ) – ângulo formado entre os raios solares e sua projeção no

plano horizontal.

o Azimute do Plano Inclinado (γ) – desvio da projeção no plano horizontal da

normal à superfície em relação ao meridiano local; no sul é zero; para leste é

negativo e para oeste é positivo (180º 180ºγ− ≤ ≤ ).

o Declinação (δ) – posição angular do sol no meio dia solar em relação ao

plano do Equador, sendo seu valor positivo para o hemisfério norte

( 23,45º 23,45ºδ− ≤ ≤ ). De acordo com DUFFIE; BECKMAN (1980),

através da Equação de Cooper (1969) encontra-se o valor da declinação.

28423,45 360

365

nsenδ + =

(2.1)

na qual ‘n’ representa o dia do ano e pode ser convenientemente obtido através da Tabela 2.2.

Tabela 2.2 – Conversão de Data para um Número Ordinal Compreendido entre 1 e 365, Tomando por Base o Dia Médio de Cada Mês (fonte: DUFFIE E BECKMAN, 1980).

Mês Dia Específico

do Mês Data ‘n’ (dia do ano) Declinação (δ)

Janeiro i 17 17 -20,9

Fevereiro 31 + i 16 47 -13,0

Março 59 + i 16 75 -2,4

Abril 90 + i 15 105 9,4

Maio 120 + i 15 135 18,8

Junho 151 + i 11 162 23,1

Julho 181 + i 17 198 21,2

Agosto 212 + i 16 228 13,5

Setembro 243 + i 15 258 2,2

Outubro 273 + i 15 288 -9,6

Novembro 304 + i 14 318 -18,9

Dezembro 334 + i 10 344 -23,0


A Figura 2.4 mostra a abóbada celeste e o movimento aparente do sol em torno da

Terra, ilustrando os valores extremos para a declinação, calculados através da Equação de

Cooper.

Figura 2.4 – Posição aparente do sol em torno da Terra (fonte: RÍSPOLI, 2008).

A altura solar, o azimute da superfície, o ângulo zenital e a inclinação são mostrados

na Figura 2.5.

Figura 2.5 – Ângulo zenital, altura solar, inclinação e azimute do coletor solar (fonte: RÍSPOLI, 2008).


A Figura 2.6 mostra o ângulo zenital para uma superfície horizontal e o ângulo de

incidência para um plano inclinado.

Figura 2.6 – Ângulo zenital para uma superfície horizontal e ângulo de incidência para um plano inclinado (fonte: RÍSPOLI, 2008).

De acordo com as definições feitas no início desta seção e com a Figura 2.5, pode-se

observar que a soma entre o ângulo zenital solar e o ângulo de altitude solar retorna um valor

de 90º, como se vê na Equação 2.2.

90º zϕ θ= − (2.2)

As relações entre os ângulos que compõem a geometria ‘SOL-TERRA’,

apresentadas nesta seção, foram propostas por DUFFIE; BECKMAN (1980) e levam ao

cálculo da radiação incidente no plano inclinado.

Visto que os valores medidos e disponibilizados pelos centros de pesquisas

meteorológicas dizem respeito à radiação solar incidente num plano horizontal, o

equacionamento a seguir permite a conversão desses valores para análise em um plano

disposto a uma inclinação β.

O ângulo de incidência da radiação solar direta está relacionado aos outros ângulos

da geometria solar de acordo com a Equação 2.3.

ωγβδωγβφδ

ωβφδγβφδβφδθsensensensensen

sensensensen

coscoscoscos

coscoscoscoscoscoscoscos

+++−=

(2.3)

A orientação ótima em relação ao norte ou sul para coletores planos inclinados

implica em valores de 0º ou 180º para o ângulo azimutal da superfície inclinada (γ), sendo,

portanto, nulo o último termo da Equação 2.3 para esta situação. Para o caso do coletor


disposto em superfície horizontal (β = 0º), tem-se que o ângulo de incidência (θ ) torna-se o

ângulo zenital solar (θz), simplificando a Equação 2.3 conforme está disposto na Equação 2.4.

cos cos cos cosz sen senθ δ φ ω δ φ= + (2.4)

A Equação 2.4 pode ser resolvida para o ângulo horário do pôr-do-sol, ωs, quando o

ângulo zenital solar (θz) é nulo, conforme mostram as Equações 2.5 e 2.6.

coscos coss

sen senφ δωφ δ

= − (2.5)

cos tan tansω φ δ= − (2.6)

Para efeitos de design de processos solares e cálculos de desempenho,

frequentemente é necessário calcular a radiação horária sobre uma superfície inclinada de um

coletor usando medições ou estimativas de radiação solar na superfície horizontal.

A Figura 2.7 indica o ângulo de radiação incidente na superfície inclinada e no plano

horizontal.

Figura 2.7 – Radiação nas superfícies horizontal e inclinada (fonte: DUFFIE; BECKMAN, 1980).

O fator geométrico Rb é a razão entre a radiação na superfície inclinada pela radiação

na superfície horizontal, a qualquer momento, conforme mostra a Equação 2.7, na qual Gn

indica a radiação normal, conforme visto na Figura 2.7.

I

I

G

G

G

GR T

zzn

nTb ====

θθ

θθ

cos

cos

cos

cos (2.7)

O símbolo ‘G’ é usado para denotar a radiação em W/m2, enquanto que o símbolo ‘I’

é usado para indicar uma quantidade de energia para períodos maiores ou iguais a uma hora,

podendo também ser considerado como taxa média horária de radiação, sendo expressado em

J/m2.


Algumas relações úteis para o ângulo de incidência em superfícies inclinadas, para o

norte ou sul, podem ser derivadas do fato de que as superfícies com inclinação β, para o norte

ou sul, têm a mesma relação angular de radiação que uma superfície horizontal a uma latitude

‘genérica’ de (φ − β). Nesse caso, a Equação 2.4 pode ser reescrita como se vê na Equação 2.8

abaixo.

cos cos( )cos cos ( )sen senθ φ β δ ω φ β δ= − + − (2.8)

O ângulo azimutal comum para coletores planos é de 0º (no Hemisfério Norte) ou

180º no (Hemisfério Sul). Nesse caso, a Equação 2.7 pode ser reescrita da maneira como se

pode observar na Equação 2.9 (considerando-se γ = 0º) e na Equação 2.10 (para γ = 180º).

cos( )cos cos ( )

cos cos cosb

sen senR

sen sen

φ β δ ω φ β δφ δ ω φ δ

− + −=+

(2.9)

cos( )cos cos ( )

cos cos cosb

sen senR

sen sen

φ β δ ω φ β δφ δ ω φ δ

+ + +=+

(2.10)

2.3 RADIAÇÃO EXTRATERRESTRE NA SUPERFÍCIE HORIZONTA L

A maioria dos cálculos de radiação é feita usando níveis de radiação normalizados,

ou seja, níveis teóricos de uma possível radiação avaliada para o caso da inexistência de

atmosfera. Para isso, é necessário o uso de métodos para se calcular a radiação extraterrestre.

DUFFIE; BECKMAN (1980) afirmam que em algum ponto, em algum instante, a

radiação solar incidente fora da atmosfera, num plano horizontal, é dada pela Equação 2.11.

0

3601 0,033cos cos

365SC z

nG G θ = +

(2.11)

Combinando-se a Equação 2.11 com a Equação 2.4, G0 (radiação extraterrestre

incidente no plano horizontal, dada em W/m2) para uma superfície horizontal, em qualquer

instante entre o nascer e o pôr do sol é dada pela Equação 2.12.

( )0

3601 0,033cos cos cos cos

365SC

nG G sen senφ δ φ δ ω = + +

(2.12)

A radiação solar extraterrestre diária na superfície horizontal, H0, é obtida a partir da

integração da Equação 2.12 para o período de insolação de um dia (desde o nascer até o pôr


do sol), como se vê na Equação 2.13, na qual ωs é o ângulo horário do pôr do sol (de acordo

com a Equação 2.5). H0 é dado em J/m2.

+

×

+×=

δφπωωδφ

π

sensensen

nGH

SS

SC

360

2coscos

365

360cos033,01

3600240

(2.13)

Também é de interesse o cálculo da radiação solar extraterrestre no plano horizontal

para o período de uma hora, I0, dado em MJ/m2 ou kJ/m2, de acordo com a Equação 2.14, na

qual ω1 e ω2 são os ângulos limites que definem o período de uma hora.

−+−

×

+×=

δφωωπωωδφ

π

sensensensen

nGI SC

360

)(2)(coscos

365

360cos033,01

360012

1212

0

(2.14)

2.4 ÍNDICE DE CLARIDADE ATMOSFÉRICA

A relação entre a radiação total horária no plano horizontal (I) e a radiação

extraterrestre horária no plano horizontal (I0) determina o valor do índice de claridade

atmosférica (ou transparência) horário (kT), conforme mostra a Equação 2.15.

0

T

Ik

I= (2.15)

O índice de claridade diário (KT) é dado pela Equação 2.16, na qual H representa a

medida total de radiação solar na superfície inclinada em um dia e H0 é a radiação solar

extraterrestre na superfície inclinada no mesmo dia.

0

T

HK

H= (2.16)

A Figura 2.8 mostra um exemplo da freqüência de ocorrência de dias com vários

índices de claridade e a freqüência acumulada de ocorrência para esses dias.


Figura 2.8 – Um exemplo da freqüência de ocorrência de dias com vários índices de claridade e a freqüência acumulada desses dias (fonte: DUFFIE; BECKMAN, 1980).

2.5 RADIAÇÃO SOLAR INCIDENTE NO PLANO INCLINADO

Para estimar a radiação incidente no plano inclinado, é necessário primeiramente

dimensionar a componente difusa da radiação.

As inequações de Orgill e Hollands têm sido largamente empregadas para o cálculo

da radiação difusa horária instantânea, de acordo com as Equações 2.17, 2.18 e 2.19

(DUFFIE; BECKMAN, 1980), na qual Id [kJ/m2] representa a parcela difusa da radiação solar

em uma superfície horizontal, I [kJ/m2] é a radiação solar instantânea na superfície horizontal

num dia e horário solar específico e kT é o índice de claridade atmosférica instantânea.

o Para 0,35Tk < tem-se:

1,0 0,249dT

Ik

I= − (2.17)

o Para 0,35 0,75Tk< < tem-se:

1,557 1,84dT

Ik

I= − (2.18)

o Para 0,75Tk > tem-se:

0,177dI

I= (2.19)


Outra forma de relacionar a claridade atmosférica e a radiação difusa é apresentada

através das correlações de Collares, Pereira e Rabl, conforme as Equações 2.20, 2.21, 2.22 e

2.23, nas quais Hd [J/m2] é a radiação solar difusa diária incidente na superfície horizontal, H

[J/m2] é a radiação solar diária no plano horizontal da superfície terrestre e KT é o índice de

transparência atmosférica (claridade) médio de um dia.

o Para 0,17TK ≤ tem-se:

0,99dH

H= (2.20)

o Para0,17 0,75TK< < tem-se:

2 3 41,188 2,272 9,473 21,865 14,648dT T T T

HK K K K

H= − + − + (2.21)

o Para 0,75 0,80TK< < tem-se:

0,54 0,632dT

HK

H= − + (2.22)

o Para 0,80TK ≥ tem-se:

0,2dH

H= (2.23)

REINDL et al. (1990) apud SIQUEIRA (2009) desenvolveram um método para

estimar a fração de radiação horária no plano horizontal da superfície terrestre que relaciona o

ângulo de altitude solar (ϕ), a umidade relativa do ar (u) e a temperatura ambiente (Ta) com o

índice de claridade horário (kT), como se vê nas Equações 2.24, 2.25 e 2.26 a seguir, nas quais

Id é a radiação difusa horária incidente na superfície horizontal e I é a radiação horária total

incidente no plano horizontal da superfície terrestre.

o Para 0 0,3Tk< < ; sendo respeitado o intervalo de 1dI I < :

1,0 0,232 0,0239 ( ) 0,000682 0,0195100

dT a

I uk sen T

Iϕ = − + − +

(2.24)

o Para 0,3 0,78Tk< < ; sendo respeitado o intervalo de 0,1 0,97dI I< < :

1,329 1,716 0,267 ( ) 0,00357 0,106100

dT a

I uk sen T

Iϕ = − + − +

(2.25)


o Para 0,78Tk > ; sendo respeita do intervalo de 0,1dI I < :

0,426 0,256 ( ) 0,00349 0,0734100

dT a

I uk sen T

Iϕ = − − +

(2.26)

Os coletores solares planos absorvem as duas componentes (direta e difusa) da

radiação solar. Para usar os dados de radiação total no plano horizontal para estimar a

radiação incidente num coletor solar fixo, disposto a uma inclinação β em relação a

horizontal, é necessário se conhecer o valor de R, que é definido como a razão entre a

radiação total na superfície inclinada (IT) e a radiação total no plano horizontal (I), como se

pode observar através das Equações 2.27 e 2.28.

TIRI

= (2.27)

b db d

I IR R R

I I= + (2.28)

O valor de R pode também ser expresso em termos das contribuições das radiações

direta e difusa, como se vê, respectivamente, nas Equações 2.29 e 2.30, nas quais Rb é a razão

entre a radiação direta na superfície inclinada (IbT) e a radiação direta no plano horizontal (Ib)

e, Rd é a razão entre a radiação difusa na superfície inclinada (IdT) e a radiação difusa

incidente no plano horizontal da superfície (Id).

bTb

b

IR

I= (2.29)

dT

dd

IR

I= (2.30)

A correção angular para a componente direta da radiação pode ser calculada pela

Equação 2.7, através da qual Rb é expresso em função do ângulo de incidência e do ângulo

zenital solar, como se pode observar na Equação 2.31 a seguir.

cos

cosbT

bb z

IR

I

θθ

= = (2.31)

A correção para a componente difusa da radiação solar depende de sua distribuição

por todo o céu, que, geralmente, não é bem conhecida. Essa distribuição depende do tipo,


extensão e localização das nuvens e, também, da distribuição espacial e montante de outros

componentes atmosféricos que dispersam a radiação solar. Além disso, parte da radiação solar

pode ser refletida pela superfície. Então, geralmente, assumem-se duas simplificações como

uma base para a correção angular da radiação difusa (DUFFIE; BECKMAN, 1980).

Primeiramente, pode-se assumir que a maior parte da radiação difusa vem

aparentemente de perto do sol, ou seja, o ‘espalhamento’ da radiação solar ocorre principal e

diretamente na direção da superfície da Terra, sendo, nesse caso, que o fator de correção

angular aplicado para a componente difusa é o mesmo usado para a componente direta.

Assim, toda a radiação incidente na superfície horizontal é tratada como se fosse radiação

direta, o que se vê pela Equação 2.32. Essa aproximação é adequada para dias bastante claros.

bR R= (2.32)

Em seguida, pode-se assumir que a componente difusa é uniformemente distribuída

em todo o céu. Se for assumido que o solo ou outras superfícies refletem a radiação para uma

superfície inclinada, sendo consideradas fontes de radiação solar difusa, equivalentes ao céu,

então a superfície irá receber a mesma radiação difusa, não importando qual a sua orientação.

Partindo deste pressuposto, Rd será sempre unitária, sendo a radiação horária total incidente

sobre a superfície inclinada dada pela Equação 2.33. Esta é uma aproximação razoável para o

caso de uma cobertura uniforme de nuvens no céu, ou quando este está nebuloso.

T b b dI I R I= + (2.33)

Considerando-se dias nos quais as aproximações apresentadas não são válidas, a

razão entre a radiação total na superfície inclinada e a radiação total no plano horizontal da

superfície terrestre é dada pela Equação 2.34.

1 cos 1 cos

2 2b d

b

I IR R

I I

β βρ+ − = + +

(2.34)

Conseqüentemente, a radiação total horária incidente sobre a superfície inclinada é

calculada de acordo com a Equação 2.35, na qual [(1 cos ) 2]β+ é o fator de forma do coletor

de inclinação β com o céu e [(1 cos ) 2]β− é o fator de forma do coletor com a superfície

circundante. Para o caso particular deste trabalho, β corresponde ao valor de 30º.

1 cos 1 cos

( )2 2T b b d b dI I R I I I

β βρ+ − = + + +

(2.35)


A Equação 2.35 mostra que a radiação solar horária total sobre a superfície inclinada

é a contribuição da radiação direta (Ib), da radiação solar difusa do céu (Id) e da radiação solar

difusamente refletida pelo solo, o albedo ou refletividade do solo, indicado por ρ.

2.6 ESTUDO TEÓRICO DOS COLETORES

O balanço térmico de um coletor mostra a relação da energia por ele absorvida com

a energia perdida, de acordo com a Equação 2.36.

a pQ Q Q= − (2.36)

na qual, Q é o calor líquido entregue pelo coletor ao fluido de trabalho; Qa é o calor absorvido

pelo coletor e Qp é o calor perdido pelo coletor.

O calor Qa é função da energia incidente (IT), da área útil do coletor (Ac) e do fator

(λα), chamado de ‘eficiência ótica’, que representa o produto transmissividade-absortividade

da cobertura transparente e placa absorvedora (superfície preto fosco). A Equação 2.37 mostra

tal relação:

λαcTa AIQ = (2.37)

O calor Qp é representado por um coeficiente global de perdas (Pt), como mostra a

Equação 2.38, na qual tp e ta são, respectivamente, a temperatura da placa coletora e a

temperatura ambiente.

( )p t c p aQ P A t t= − (2.38)

Substituindo as Equações 2.37 e 2.38 na equação 2.36, tem-se:

)( apctcT ttAPAIQ −−= λα (2.39)

Expressando na Equação 2.39, o calor por unidade de área, tem-se a Equação 2.40,

também chamada de Equação de Hottel Whillier.

)( aptT ttPIq −−= λα (2.40)

O calor sensível transferido à água será:

s eT t t∆ = − (2.41)


A quantidade de calor necessária para transferir à água uma temperatura

correspondente a T∆ , será dada pela Equação 2.42, na qual et é a temperatura da água na

entrada do coletor, st é a temperatura da água na saída do coletor, mɺ é a vazão mássica [kg/h]

e cp é o calor específico da água [J/kgºC].

)( esppu ttcmTcmQ −=∆= ɺɺ (2.42)

A eficiência térmica de um coletor é definida como:

T

u

I

Q=η (2.43)

Porém, as condições atmosféricas e a posição do sol no horizonte em virtude de seu

movimento aparente, azimutal e declinatório são fatores que submetem a radiação solar a

variações, e, consequentemente, exercem influência sobre o coletor solar. Por esse motivo, a

eficiência de um coletor pode ser instantânea, horária ou diária, como é possível observar

através das Equações 2.44, 2.45 e 2.46, a seguir, nas quais Qu é a energia total útil transferida

ao fluido de trabalho, IT é toda a incidência solar que chega ao absorvedor e Ac é a área útil do

coletor exposta à radiação (BEZERRA, 1998).

o Eficiência instantânea:

∫

∫=

2

1

2

1

)(

t

t T

t

tc

u

dtI

A

dtQ

η (2.44)

o Eficiência para um determinado tempo t:

Tc

ut IA

Q=η (2.45)

o Eficiência no decorrer de um dia:

∑∑=

Tc

ud IA

Qη (2.46)

Substituindo-se o valor de ‘q’, dado pela Equação 2.40, na Equação 2.43, temos, na

Equação 2.47, o valor da eficiência em função do fator (λα) e do coeficiente global de perdas.


T

apt

I

ttP )( −−= λαη (2.47)

Para se obter o desempenho efetivo do coletor é necessário se levar em

consideração o total de radiação incidente no coletor durante o tempo T mais longo de

operação, no qual se observem as variações na intensidade da radiação, temperatura ambiente,

temperatura do coletor, etc (BEZERRA, 1998). Sendo assim, a Equação 2.40 pode ser

reescrita da maneira exposta na Equação 2.48, na qual TI é a média da radiação incidente no

coletor durante o tempo (T) considerado e, at é a média da temperatura ambiente durante o

tempo (T).

TttPIqT aptT )( −−= λα (2.48)

A Equação 2.48 permite calcular o calor realmente coletado pelo sistema e,

consequentemente, o desempenho do coletor.

2.7 OS SISTEMAS DE AQUECIMENTO SOLAR DE ÁGUA

Existem inúmeras vantagens decorrentes do uso de energia térmica solar que, além de

contribuir, comprovadamente, para a conservação do meio ambiente, contribuem, de diversas

maneiras, para o desenvolvimento econômico. RODRIGUES, MILTON e KAUFMAN

(pesquisadores da Vitae Civilis) esclarecem tão bem tais aspectos que têm, abaixo, seu texto

representado na íntegra.

“O aquecimento de água em geral representa uma alta porcentagem do

consumo de energia, tanto nos lares quanto em vários setores do comércio

e da indústria, chegando em alguns casos a 30% ou mais. Quando

sistemas de Aquecedores Solares de Água são aplicados na

suplementação ou na substituição de processos convencionais de

aquecimento de água, evita-se a queima de grande parte do combustível

que seria usado nestes sistemas, o que, conseqüentemente, reduz as

emissões de gases estufa e outros poluentes. Isso melhora a qualidade do

ar das cidades e, até, a qualidade do ar interno às edificações. Os

Aquecedores Solares de Água contribuem também para o desenvolvimento

econômico de diversas maneiras, como, por exemplo, podendo ser

produzidos por empresas de pequeno e médio porte (reconhecidamente


importantes geradoras de empregos), pois não demandam investimentos

de capital elevados para sua produção. A descentralização intrínseca

nesta tecnologia também é responsável por importante geração de

empregos em revendas, empresas de projeto e de instalação.

Adicionalmente, efeitos econômicos benéficos também são induzidos por

meio de economias significativas de combustível, de maneira que o

investimento em Aquecedores Solares de Água se paga em períodos de

aproximadamente três anos.” (RODRIGUES, MILTON e KAUFMAN –

Vitae Civilis).

Mesmo apresentando tantas vantagens, o sistema convencional de aquecimento solar

ainda é inacessível às famílias de baixa renda. Com o intuito de democratizar o uso da

tecnologia solar, surgiram pesquisas a fim de utilizar materiais alternativos na construção dos

Aquecedores Solares. Então, a partir de 1999, a ONG Sociedade do Sol desenvolveu um

sistema de Aquecimento Solar de Baixo Custo, denominado ASBC.

Os sistemas de aquecimento solar de água podem ser ditos ativos ou passivos, sendo

esta denominação dada de acordo com o tipo de circulação que ocorre no sistema (forçada ou

natural).

Um sistema de circulação forçada, ou ativo, requer o uso de bombas elétricas,

válvulas e controladores para circular água através dos coletores. Eles são mais fáceis de

instalar e manter do que os sistemas passivos, pois seu tanque armazenador não precisa ser

instalado acima ou perto do coletor. No entanto, eles dependem da eletricidade para funcionar

(JURADO, 2004).

Já no sistema de circulação natural, ou passivo, a circulação acontece pelo fenômeno

da convecção natural. À medida que a água no coletor é aquecida, torna-se mais leve e sobe

naturalmente para o tanque acima, enquanto a água fria do tanque desce para a parte inferior

do coletor. A circulação ocorre devido a diferença de densidade causada pelo gradiente de

temperatura existente no fluido. Neste tipo de instalação é necessário que o tanque esteja

acima do coletor, pois o desnível é necessário para garantir a circulação da água no coletor. O

sistema passivo também é conhecido como Sistema Termossifão.

Os aquecedores de água são classificados como circuito aberto (open loop, também

chamados “diretos”) ou circuito fechado (closed loop ou “indiretos”). O circuito é dito aberto

quando a água utilizada no consumo circula no interior da grade de tubos do coletor. Um


sistema é dito fechado quando faz uso da introdução de um tocador de calor e de um fluido

“heat transfer fluid” (água ou solução anticongelante, por exemplo) no circuito do coletor, no

interior do reservatório de água quente, para coletar o calor e transferi-lo à água de consumo.

2.7.1 SISTEMA CONVENCIONAL DE AQUECIMENTO DE ÁGUA

O aquecedor convencional é composto por dois itens básicos: o reservatório térmico

(boiler) e o coletor solar (placas). Seu funcionamento é baseado na transmissão de calor

através dos materiais que compõem o sistema. A circulação do sistema se inicia quando os

raios do sol incidem sobre a superfície preto-fosca dos coletores. A energia absorvida

transforma-se em calor e aquece a água que está no interior dos coletores. Inicia-se, então, o

processo de circulação natural da água chamado de termossifão. O sistema continua

funcionando enquanto houver uma boa irradiação solar ou até quando houver gradiente de

temperatura no circuito (JURADO, 2004). A água que foi aquecida durante o processo fica

armazenada num reservatório termicamente isolado a fim de evitar a perda de calor para o

ambiente.

O coletor solar tem a função de receber a radiação, transformá-la em calor e

transmiti-lo ao fluido. Ele é composto por: vidro (impede a entrada de material do meio no

coletor e provoca o efeito estufa), tubo de cobre (por onde circula a água que capta o calor do

sol), chapa de alumínio enegrecido (auxilia no aquecimento do coletor) e isolante térmico

(impede que o calor captado pelo fluido retorne à vizinhança).

A eficiência do coletor é dada pela proporção das energias absorvida, transmitida e

refletida em relação à quantidade total de energia incidente. Dessa forma, quanto maior for a

quantidade de energia transmitida para a água, maior será a eficiência (JURADO, 2004). A

transmissão de calor no coletor solar ocorre por condução, convecção e radiação. A energia

solar que incide por radiação é absorvida pelas placas coletoras. Estas transmitem, por

condução, uma parcela desta energia absorvida para a água (que circula no interior de suas

tubulações de cobre), sendo que uma pequena parte é refletida para o ar que envolve a chapa.

No fluido, observa-se o fenômeno da convecção natural que, por sua vez, é a força motriz da

circulação no sistema.

O boiler, isolado internamente com poliuretano expandido, armazena a água quente

para consumo. É construído com alumínio, por fora e, com cobre ou aço inox por dentro.

Possui uma resistência elétrica que, comandada por um termostato, aquece a água em dias em


que não há luz solar suficiente. A Figura 2.9, a seguir, mostra o esquema de um Aquecedor

Convencional de Água adequado para uso doméstico.

Figura 2.9 – Esquema de um Aquecedor Solar Convencional (imagem disponibilizada no site da sociedade do sol).

2.7.2 SISTEMA ASBC

O ASBC tem o mesmo princípio de funcionamento do sistema convencional de

aquecimento de água, porém, utilizam-se materiais alternativos, de menor custo, para a

construção dos seus componentes.

O projeto de um aquecedor solar de custo mais baixo, que reduza a emissão de gás

carbônico e, que retorne ao usuário economias financeiras, ampliando sua cidadania, vale o

esforço para superar as dificuldades que são encontradas para possibilitar seu

desenvolvimento.

Pode-se destacar alguns fatores que, no Brasil, facilitam o desenvolvimento da

tecnologia do ASBC e seu uso pela população em geral (Sociedade do Sol):

o Temperatura – o Brasil é um país de altas temperaturas médias diárias,

mesmo no inverno.

o Iluminação solar – o Brasil recebe uma grande parcela de radiação solar, que

por sua vez é bem distribuída durante o período de um ano.

1 – Caixa de água tradicional;

2 – Reservatório termicamente isolado

para aquecimento solar;

3 – Reservatório termicamente isolado

para aquecimento auxiliar;

4 – Resistência elétrica;

5 – Coletor solar;

6 – Misturador de água quente e fria;

7 – Respiro;

8 – Ducha.


o Pressão da água – a presença de caixa da água nas residências brasileiras

implica em baixa pressão, o que é um fator importante para a operação

econômica do ASBC.

o Dutos de PVC – o PVC é um complemento importante do ASBC e, o baixo

custo desse material torna a tecnologia do ASBC mais acessível à população.

o Chuveiro elétrico – serve como resistência auxiliar ao aquecimento para os

dias nublados ou chuvosos e, como já está presente na maioria das casas

brasileiras, não aumentaria o custo o projeto de aquecimento solar.

O fenômeno da estratificação é de extrema importância para o bom funcionamento

do ASBC, uma vez que possibilita o uso da própria caixa de água da residência como

reservatório. Isso porque a camada de água quente, menos densa que a camada de água fria,

‘flutua’ na parte superior da caixa, excluindo a necessidade de outro reservatório para a água

aquecida. Sabe-se, no entanto, que mesmo quando não ocorre turbulência no reservatório, a

estratificação deixa de existir com o passar do tempo, por causa do fenômeno da difusão.

A Figura 2.10 mostra o esquema de um ASBC, que pode ser fabricado com placa

coletora construída com forro alveolar de PVC modular ou polímero correlato, com tubos de

PVC acoplados nas extremidades. O coletor do ASBC se difere dos outros por não utilizar a

cobertura de vidro. O reservatório do sistema alternativo pode ser a caixa d’água da

residência, ou também, construído com material plástico mais rígido, fibra de vidro ou caixa

de isopor (EPS), isolados termicamente nas laterais e na tampa superior.

Figura 2.10 – Sistema ASBC (imagem disponibilizada no site da sociedade do sol).

1 – Caixa de água tradicional;

1.1 – Camada de água quente;

1.2 – Camada de transição;

1.3 – Camada de água fria;

1.4 – Isolamento térmico;

1.5 – Sistema de ‘dutos furados’;

2 – Coletores Solares Alternativos;

3 – Misturador de água quente e fria.


No esquema da Figura 2.10, a caixa de água tradicional é subdividida em três

camadas de água, de acordo com as suas densidades, sendo a camada inferior composta por

água fria e a superior por água quente, sendo essas duas separadas por uma estreita camada

intermediária (de transição). Observa-se que há uma cobertura de isolamento térmico na

região preenchida pela água quente, o que evita a perda de calor para o ambiente no decorrer

do período, dia e noite.

Os dutos perfurados têm a função de distribuir a água dos coletores solares e da bóia

na caixa d’água, de modo a evitar turbulências ou movimentos que, porventura, pudessem

ocasionar a perda da estratificação.

Os coletores solares de baixo custo não esquentam a água tanto quanto o coletor

tradicional, o que oferece três vantagens ao uso doméstico daquele em detrimento deste: as

perdas térmicas em todo circuito de circulação da água são reduzidas, há um menor risco de

acidentes envolvendo o contato humano com água quente e o projeto permite a utilização dos

dutos de PVC (já tradicionais nas casas brasileiras) para a água quente.

2.7.3 ESTUDOS PARA O DESENVOLVIMENTO DOS SISTEMAS DE

ENERGIA TÉRMICA SOLAR

Os primeiros registros de experimentos com aquecimento solar são datados de 1767,

quando Horace de Saussure, na Suíça, despertou o interesse de estudar o assunto após ter

observado que os ambientes ficavam mais quentes quando raios de sol passavam através do

vidro.

SAUSSURE (1767) construiu a primeira ‘estufa’ em miniatura, com cinco caixas de

vidro expostas uma dentro da outra, em cima de uma mesa de madeira escura, conforme a

Figura 2.11.

Figura 2.11 – Caixa quente construída por Saussure (site solarcooking.org).


Foi observada uma temperatura de 189,5º F no interior da caixa do centro. Em

experimentos posteriores, a temperatura atingida foi de 228º F. (site solarcooking.org).

HERSCHEL (1830) construiu uma “caixa quente” para cozinhar, durante uma

expedição ao Cabo da Boa Esperança na África do Sul, conseguindo temperaturas até 240º F.

(Segundo o site solarcooking.org).

Tais experimentos podem ser considerados como os primeiros protótipos dos

coletores solares.

KEMP (1891) obteve a primeira patente para um coletor solar, o Clímax, que

possuía vários tanques cilíndricos de aço galvanizado, pintados de preto. Conseguiu-se um

aumento no rendimento ao isolar esses tanques com papel de feltro e colocá-los em uma caixa

de madeira com cobertura de vidro, além de conseguir, assim, conservar a água quente

(NIEMEYER, 2006).

BAILEY (1909) patenteou um coletor que funcionava por termossifonagem.

(Segundo o site Pense Indústria). Esse modelo é muito parecido com os que são usados

atualmente.

No decorrer do tempo, a indústria dos coletores solares vem se aperfeiçoando. Sabe-

se que a substituição do uso da energia convencional pela energia solar vem sendo

amplamente pesquisada e incentivada, tanto no âmbito doméstico quanto industrial, pois

possibilita uma melhor economia de recursos financeiros, além de minimizar os impactos

ambientais.

REDDY (1995) publicou um estudo cuja comparação econômica entre os sistemas

elétrico e solar de aquecimento de água, levou à conclusão de que o aquecedor solar de água é

a melhor proposta para os consumidores. Isso porque, além da viabilidade econômica, trata-se

de uma fonte de natureza renovável e que promove qualidade ambiental.

NIEUWOUDT; MATHEWS (2005), considerando a dificuldade da população rural

da África do Sul na obtenção e transporte de água para uso doméstico, estudaram e

desenvolveram um dispositivo acessível que suprisse tal necessidade. Os protótipos foram

concebidos, fabricados e testados, e mostraram uma média de temperatura de 60ºC à tarde,

sendo que água a 40ºC ainda estava disponível às 20h.

BAPTISTA (2006), ao analisar o desempenho e a relação custo benefício de se

trocar o sistema elétrico de aquecimento de água por um sistema de aquecimento solar em


Resorts na região Nordeste do país, concluiu que essa substituição é bastante viável.

Verificou-se que tal substituição gerou uma notável economia de recursos financeiros para o

empreendimento.

Com o intuito de obter uma menor perda térmica e, conseqüentemente, um melhor

aproveitamento da energia solar, a indústria dos aquecedores solares vem se aprimorando.

MORRISON et al. (1998) apud THIRUGNANASAMBANDAM et al (2010)

investigaram as características da aplicação do manto em trocadores de calor horizontais em

sistemas termossifão de aquecimento solar de água e descobriu que tal configuração

degrada a estratificação térmica no reservatório interno.

MICHAELIDES et al. (1999) simularam um sistema termossifão de aquecimento

solar de água, sob diferentes modos de monitoramento (configuração tradicional com a

superfície do coletor fixo a uma inclinação de 40º em relação à horizontal, eixo único com

inclinação fixa e variável azimute, modo de rastreamento de temporadas em que a inclinação

do coletor é alterada duas vezes por ano, dentre outras configurações), usando o programa de

simulação TRNSYS para comparar o seu desempenho térmico e econômico, nas cidades de

Nicósia (Chipre) e Atenas (Grécia). Os resultados das simulações mostraram que, do ponto de

vista do desempenho térmico, os melhores resultados são obtidos com o monitoramento de

eixo único.

CHANG et al. (2002), utilizando um fator de distribuição R, definido como a taxa de

irradiação total de manhã pela taxa de irradiação total à tarde, verificou que a utilização do

critério R nos testes apresentou coeficientes de correlação muito melhores, com um aumento

significativo na eficiência característica do sistema.

CHANG et al. (2004) fizeram uma modificação na avaliação do desempenho global

de um sistema termossifão de aquecimento de água, cujo cálculo da eficiência levasse em

consideração também a remoção de calor durante a fase de aplicação do sistema em questão.

Foi proposto um coeficiente de eficiência (η0) definido como o produto entre a síntese do

desempenho térmico característico (ηS) e a eficiência de remoção característica (ηR). Estudou-

se o desempenho térmico e a eficiência de remoção de calor de doze sistemas termossifão de

aquecimento de água e concluiu-se que o coeficiente de eficiência (η0) fornece uma medida

mais representativa do desempenho de tais sistemas, em detrimento do desempenho térmico

característico (ηS), valor considerado pelo governo de Taiwan para a concessão de subsídios.


ARRUDA (2004) fez um estudo experimental sobre o efeito de controle de vazões

em sistemas de aquecimento solar de água em instalações com grande número de coletores,

onde o gradiente de temperatura não é suficiente para circular a água por termossifonagem.

ARRUDA concluiu que, nos sistemas onde necessariamente a circulação da água pelos

coletores tem de ser forçada, quer seja devido aos comprimentos das tubulações, incluindo os

tubos internos ao coletor, quer seja por não haver desnível suficiente entre o reservatório e o

coletor, a vazão ideal para cada momento se aproxima da vazão que ocorreria se o sistema

estivesse funcionando em condições favoráveis de desnível e com número de coletores

reduzido.

DHARUMAN et al. (2006) avaliaram o desempenho de um aquecedor de água

integrado a um sistema de conservação de energia. Concluiu-se que os níveis de temperatura

alcançados no início da manhã eram adequados para banho e limpeza no setor doméstico e, as

altas temperaturas observadas no decorrer do dia poderiam ser exploradas nos setores

industriais e hospitalares.

KOFFI et al. (2008) fizeram um estudo teórico experimental de um sistema

termossifão de aquecimento solar de água com a presença de um trocador de calor interno.

Verificou-se, para o período de maior insolação, que houve concordância satisfatória entre os

resultados teóricos e experimentais, tanto qualitativa quanto quantitativamente. O modelo

teórico proposto apresentou-se como uma ferramenta eficiente de prever e projetar sistemas

termossifão de aquecimento solar de água nas condições do experimento. Além disso, um

estudo comparativo da eficácia dos demais sistemas apresentados em outros trabalhos da

literatura mostrou que a configuração montada e analisada por KOFFI et al (2008) foi a que

obteve melhores resultados.

SOO TOO et al. (2008) também estudaram um sistema de aquecimento de água

acoplado a uma manta vertical trocadora de calor, verificando que, para as condições do

estudo e do clima na Austrália, esse sistema apresentou uma perda de desempenho, quando

comparado a outros.

Estudos mais recentes comprovam que a eficiência de um sistema de aquecimento

solar depende de vários outros fatores além do material da placa coletora, como por exemplo,

das características locais, da disposição do sistema, do tipo de circulação da água no sistema e

da posição das placas coletoras.


LIMA; PRADO (2003) estudaram um sistema de aquecimento solar da água por

termossifão com placas coletoras planas, concluindo que o dimensionamento tradicional

baseado nas especificações recomendadas pelos fabricantes é demasiadamente simplista e

conduz a custos elevados para o consumidor e que é possível fazer um dimensionamento mais

próximo da realidade, levando em consideração as características locais e do sistema.

RISPOLÍ (2008) estudou a redução do custo fabril de um aquecedor solar de linha

industrializada que possa apresentar um adequado desempenho na época fria do ano.

Comprovou-se que o melhor ângulo médio mensal para a inclinação dos coletores solares

planos corresponde à diferença de 90º com a distância do sol ao meio dia solar.

SHUKLA et al. (2009) investigaram e analisaram o armazenamento de energia

térmica com e sem a incorporação de ‘materiais de mudança de fase’ (Phase Change

Materials – PCM) para uso em aquecedores solares de água. Baseados nas evidências de que

o calor latente de armazenamento de energia térmica é uma das maneiras mais eficientes para

armazenar a energia térmica para aquecimento solar de água, tal estudo possibilita a criação

de um mecanismo adequado de troca de calor com o calor latente de armazenamento de

energia térmica para aquecedores solares de água. Esta análise pode ser uma alternativa para

construção de aquecedores solares de água com desing menos complicado e de maior

rentabilidade.

CHEN et al. (2009) analisaram experimentalmente o desempenho térmico a longo

prazo de um sistema termossifão bifásico de aquecimento solar de água. Utilizando

mecanismos diferentes de troca de calor (convecção natural, gêiser em ebulição, núcleos de

ebulição e condensação película), foram realizados estudos para obter as eficiências térmicas

horárias e diárias do sistema. Os resultados revelam que a eficiência característica do sistema

proposto é 18% maior que a de sistemas convencionais e que tal sistema não só reduz a perda

de calor entre o coletor e os arredores, mas também aumenta a densidade de armazenamento

térmico.

Os estudos hoje abrangem muito mais do que apenas o aumento da eficiência dos

coletores já existentes. O uso de material alternativo para a construção das placas coletoras

vem sendo amplamente pesquisado, ao passo que na indústria moderna se priorizam processos

que minimizam os impactos ambientais.

Destaca-se, nessa linha de estudos, o trabalho de TABORIANSKI; PRADO (2003),

que usaram uma metodologia para análise da contribuição para o efeito estufa dos sistemas de


aquecimento de água baseada na Análise de Ciclo de Vida (ACV). Foram avaliadas todas as

formas de energia gasta ou liberada desde a mineração, do material em questão, até a sua

disposição final. A emissão de CO2 foi comparada entre os diferentes sistemas de

aquecimento de água. Verificou-se que o sistema de aquecimento solar da água emite menos

de 60% do CO2 e do CH4 emitidos pelos chuveiros elétricos.

HUSSAIN; URMEE (1996) projetaram, para o uso comum da população pobre das

aldeias do Bangladesh, dois aquecedores solares de água, de baixo custo, sendo um

constituído de plástico e o outro, de barro.

NAHAR (2002), na Índia, estudou o desempenho de materiais alternativos na

construção da placa coletora. Foi comparado o desempenho do Cobre (Cu), Alumínio (Al) e

Aço Galvanizado (A.G.) em três configurações ‘tubos-placa’: A.G.-Al, Cu-Al e Cu-Cu,

constatando-se que os três aquecedores apresentaram desempenhos semelhantes.

Destaca-se, também, o trabalho de KUDISH et al (2002) apud AZEVEDO;

BESTETI (2007), que desenvolveram um modelo de simulação de um coletor solar

polimérico e placa absorvedora com canais de fluxo paralelos.

A influência de diferentes parâmetros em um coletor de placa plana feito de co-

polímero foi analisada por CRISTOFARI et al. (2002) apud AZEVEDO; BESTETI (2007).

Experimentos para verificar a eficiência de coletores de placas planas de PVC são

muito usuais. Um exemplo é o trabalho de SOUZA (2002), que verificou que o desgaste

térmico do PVC se acentua com níveis de temperatura acima de 60° na sua superfície.

SIQUEIRA (2009) estudou o desempenho do Aquecedor Solar de Baixo Custo

(ASBC), comparando-o ao sistema solar convencional de aquecimento de água. Sua pesquisa

abrangeu desde a comparação entre o coletor convencional (feito de cobre) e coletores

construídos com material de baixo custo, a saber, polipropileno (PP) e PVC, até a comparação

entre reservatório convencional com o reservatório de baixo custo, feito de polietileno e

isolado termicamente por isopor. Concluiu-se que os dois coletores solares de baixo custo

analisados foram sensíveis às mudanças climáticas e, que quanto menor a temperatura da água

na entrada do coletor, maior é a sua eficiência. O reservatório de baixo custo apresentou

desempenho térmico satisfatório, quando comparado ao reservatório convencional, tanto em

relação às perdas térmicas quanto aos valores alcançados de temperatura e eficiência.


O presente trabalho dá continuidade à pesquisa de SIQUEIRA (2009), analisando,

porém, os efeitos de algumas mudanças na configuração da unidade experimental (tais como:

inserção de proteção transparente e ensaios em regime contínuo), nos valores alcançados de

temperatura máxima e eficiência diária, com o intuito de comparar os materiais alternativos

(PP X PVC) entre si, para cada configuração estudada, o que será descrito detalhadamente nos

capítulos posteriores.

THIRUGNANASAMBANDAM et al. (2010) realizaram uma pesquisa bibliográfica

detalhada sobre as principais tecnologias térmicas solares atuais, composta por aquecedores

solares de água, fogões solares, secadores solares, tanques solares, arquitetura solar,

condicionadores solares de ar, chaminés solares, usinas de energia solar e foto-solares. O

documento aponta explicitamente as áreas de tecnologias térmicas solares, onde há espaço

para pesquisas futuras.

CAPÍTULO III

MATERIAL E METODOLOGIA

O estudo proposto no presente trabalho é de natureza experimental e qualitativa.

Foram colhidos dados de temperatura da água na unidade experimental, na entrada e

saída de cada placa coletora alternativa, bem como no interior do reservatório (boiler) de cada

coletor.

Os valores de radiação solar no plano horizontal, para cada período de uma hora

durante todo o dia de experimento, utilizados para a realização dos cálculos, foram retirados

do site INMET (Instituto Nacional de Meteorologia), que também disponibiliza outros dados,

como: temperatura ambiente, umidade e velocidade e direção dos ventos. Tais valores são

necessários para se prosseguir com a realização dos cálculos de radiação solar sobre o plano

inclinado e analisar o desempenho de cada coletor alternativo.

Os experimentos foram divididos em quatro categorias de ensaios, a saber:

1. Ensaios passivos em regime batelada;

2. Ensaios ativos em regime batelada;

3. Ensaios ativos e passivos com a utilização de uma proteção transparente sobre a

placa coletora em regime batelada;

4. Ensaios ativos e passivos, com e sem a presença da placa de proteção transparente,

em regime contínuo.

3.1 UNIDADE EXPERIMENTAL

A unidade experimental, conforme mostra a Figura 3.1, devidamente instalada nas

dependências da Faculdade de Engenharia Química da Universidade Federal de Uberlândia,

consistia em:

o Três coletores solares, sendo: (1) coletor de PVC; (2) coletor solar de cobre ou

convencional e (3) coletor solar polipropileno (PP);

Capítulo III – Material e Metodologia_________________________________________ 34

o Três reservatórios termicamente isolados, sendo: (5) e (7) reservatórios feito de

material de baixo custo, e (6) reservatório convencional;

o Uma caixa de distribuição de água ou caixa fria: (4)

o 15 termopares (sensores de temperatura) acoplados a um sistema de monitoramento e

aquisição de dados em tempo real, interligados a um computador que operava o

Labview (software específico para registrar, monitorar e processar dados).

o Tubulações para o escoamento da água;

o Duas bombas peristálticas.

As letras (a) e (b), (c) e (d), (e) e (f) mostradas na Figura 3.1 indicam,

respectivamente, as entradas e saídas de água nos coletores de PVC, cobre e polipropileno.

Figura 3.1 – Unidade Experimental (fonte: SIQUEIRA, 2009).

A caixa d’água de distribuição (ou caixa fria) era constituída de fibra de vidro e

possuía volume de 310 L.


3.1.1 AQUECEDOR SOLAR CONVENCIONAL

O reservatório térmico convencional era construído em aço inoxidável AISI 304,

com acabamento de alumínio, sendo seu volume de 100 L e pressão de trabalho de 5 m.c.a.

O coletor convencional de cobre, como pode ser visto através da Figura 3.2, era

constituído por 7 (sete) tubos de cobre, de 22 mm de diâmetro cada, cobertos por uma lâmina

de vidro de 4 mm de espessura.

Figura 3.2 – Esquema representativo do Coletor Convencional de Cobre (fonte: SIQUEIRA, 2009).

As características do coletor convencional são listadas a seguir:

o Volume – 4,3 L

o Massa Cheio – 16,7 kg

o Massa Vazio – 12,4 kg

o Classificação INMETRO – B (Eficiência de 53,5%)

o Área – 1 m2

3.1.2 AQUECEDORES SOLARES ALTERNATIVOS

Os coletores solares de baixo custo, representados esquematicamente através da

Figura 3.3, eram constituídos de material alternativo, a saber:

o Um coletor de forro de PVC;

o Um coletor de Polipropileno (PP).


Figura 3.3 – Desenho Esquemático dos Coletores Alternativos (fonte: SIQUEIRA,

2009).

As características dos coletores solares alternativos estão listadas na Tabela 3.1 a

seguir.

Tabela 3.1 – Características dos Coletores Solares Alternativos (fonte: SIQUEIRA, 2009).

Característica PVC PP Volume de água (L) 10 4 Comprimento (m) 1,62 1,58

Largura (m) 0,62 0,64 Ac (m

2) 1 1 kp (W/mºC) 0,16 0,22

dc (m) 0,009 0,005 hc (m) 0,017 0,005

Os reservatórios dos Aquecedores Solares de Baixo Custo (ou alternativos)

apresentam as seguintes características:

o Volume – 90 L

o Diâmetro Externo – 0,45 m

o Diâmetro Interno – 0,43 m

o Altura – 0,70 m

o Altura da Coluna d’Água – 0,57 m.

3.1.3 SISTEMA DE AQUISIÇÃO DE DADOS

Os 15 (quinze) termopares (sensores de temperatura) utilizados para a medição da

temperatura da água na Unidade Experimental eram do tipo T, com isolamento mineral. Cada

termopar possuía dois fios inseridos no circuito em uma conexão T com tampa rosqueada e

estava acoplado a um transmissor de sinal.


Os termopares foram instalados nas entradas e saídas de cada coletor, bem como nas

seções inferior (a 5 cm do fundo), intermediária (a 29 cm do fundo) e superior (a 49 cm do

fundo) de cada reservatório, de acordo com a Figura 3.4 abaixo.

Figura 3.4 – Posição dos termopares na Unidade Experimental (fonte: SIQUEIRA, 2009).

Os termopares foram acoplados a um computador que recebia e interpretava os

sinais, através de um software específico para registrar, monitorar e processar dados,

conhecido pelo nome de Labview. Tais recursos permitiram o monitoramento e aquisição dos

dados de temperatura em tempo real. A Figura 3.5, a seguir, mostra um esquema do sistema

de aquisição de dados.

Figura 3.5 – Esquema do Sistema de Aquisição de Dados (fonte: SIQUEIRA, 2009).


3.1.4 BOMBAS

Foram utilizadas duas bombas peristálticas, com vazão máxima de 70 L/h, para

possibilitar a circulação forçada de água em alguns experimentos. As bombas tinham roletes

em aço inox e inversor de freqüência.

As curvas de calibração das duas bombas são mostradas no Apêndice B.

3.1.5 TERMOPARES

Os termopares utilizados na realização dos ensaios, conforme as especificações de

SIQUEIRA (2009), têm as seguintes características:

o 3 unidades MS13 – diâmetro de 3 mm e comprimento de 120 mm e sem

rosca: MS13/T-S-00/316-30-S-120/KNE-21/00/25M BT-1,0-F-330/TIC (0-

100).

o 4 unidades MS13 – diâmetro de 6 mm e comprimento de 165 mm e com

rosca 1/4¨¨ NPT: MS13/T-S-00/316-60-S-165/KNE-21/14/25M BT-1,0-F-

330/TIC (0-100).

o 8 unidades MS13 – diâmetro de 3 mm e comprimento de 100 mm e com

rosca 1/8¨¨ NPT: MS13/T-S-00/316-30-S-100/KNE-21/10/25M BT-1,0-F-

330/TIC (0-100).

O desenho representativo de um termopar pode ser visto na Figura 3.6.

Figura 3.6 – Desenho representativo de um termopar de isolamento mineral (fonte: SIQUEIRA, 2009).


3.2 METODOLOGIA

A metodologia descrita neste tópico foi utilizada para a coleta dos dados de

temperatura nos coletores solares alternativos, a fim de comparar o desempenho do sistema

que utiliza PVC como material de construção da placa coletora, com o sistema que utiliza PP

como material de construção da placa coletora.

Os experimentos foram divididos em quatro categorias, conforme exposto no início

deste capítulo. Para uma melhor compreensão sobre as configurações da unidade

experimental, utilizadas para a aquisição dos dados durante os ensaios, é necessário o

conhecimento de algumas definições, a saber:

o Regime Batelada – Não há entrada nem saída de água no sistema operacional

durante o ensaio. A água que circula na unidade experimental foi

previamente disponibilizada, de maneira que a partir do momento em que se

iniciou o experimento, o sistema pode ser considerado ‘fechado’.

o Regime Contínuo – Há entrada e saída de água, simultaneamente, da unidade

experimental, durante o ensaio. Durante esse tipo de experimento, num

determinado período do dia, abria-se uma válvula para permitir a entrada de

água fria da caixa d’água para o boiler do coletor, enquanto ocorria a retirada

de água quente do boiler por meio de uma torneira, com vazão conhecida

para o meio externo.

o Sistema Passivo – Também chamado de Sistema Termossifão, o sistema

passivo consiste numa configuração na qual a circulação de água na unidade

experimental ocorre por meio da convecção natural. A água aquecida, por

possuir menor densidade que a água fria, sobe pelos tubos da placa coletora e

chega ao boiler, onde forma a camada superior deste. Enquanto isso, a água

fria, por possuir densidade maior, desce para as seções inferiores do boiler e

da placa coletora, promovendo, assim, a circulação natural do fluido pela

unidade experimental.

o Sistema Ativo – O sistema ativo, também chamado de Sistema Bombeado,

faz o uso de bombas peristálticas para promover uma circulação forçada do

fluido pela unidade experimental.


As configurações utilizadas para a aquisição dos dados de temperatura nos dias dos

ensaios serão detalhadamente explicadas nas seções seguintes.

3.2.1 ENSAIOS PASSIVOS EM REGIME BATELADA

Nesta configuração os boilers foram totalmente preenchidos com água fria (à

temperatura ambiente) no início do dia. Quando a luz do sol começava a se incidir sobre os

coletores, as válvulas que ligavam os boilers às placas coletoras eram abertas, dando início à

circulação natural de água, o que caracteriza o ensaio passivo ou termossifão em regime

batelada, pois a partir do início do experimento, cessava-se a entrada de água na unidade

experimental (boiler, coletor e tubulações).

O sistema de aquisição de dados era ligado, sendo programado para salvar os dados

de temperatura a cada 15 (quinze) minutos, ou seja, eram conhecidos 4 (quatro) valores de

temperatura para o período de uma hora.

O experimento prosseguia durante todo o período de maior insolação do dia, ou seja,

geralmente entre as 9 h e 16 h, sendo que esse intervalo sofria pequenas modificações,

dependendo da estação do ano.

3.2.2 ENSAIOS ATIVOS EM REGIME BATELADA

Assim como na configuração anterior, neste tipo de experimento os boilers eram

previamente preenchidos com água fria no início do dia, a fim de evitar a necessidade de

entrada de água (e/ou saída) na unidade durante o ensaio, caracterizando o regime batelada.

Quando a luz do sol começava a se incidir sobre as placas coletoras, as bombas

peristálticas eram ligadas para permitir a circulação da água pela unidade experimental.

Foram realizados experimentos utilizando três vazões distintas, a saber: 20, 40 e 60 L/h, sendo

necessário um dia de ensaio para cada vazão utilizada.

O sistema de aquisição de dados era acionado, de maneira a obter-se dados de

temperatura a cada quinze minutos, durante o período de maior insolação do dia.


3.2.3 ENSAIOS COM PRESENÇA DE PLACA DE PROTEÇÃO

TRANSPARENTE, EM REGIME BATELADA

Nesse tipo de ensaio, os boilers eram preenchidos com água no início da manhã,

assim como nos experimentos anteriores, para caracterizar o regime batelada.

Logo em seguida, era sobreposta a cada coletor alternativo, uma placa de proteção

transparente, construída sob medida para cada coletor. As placas de proteção transparente

eram basicamente uma armação de madeira coberta com plástico transparente Vulcan de

0,40 mm de espessura, escolhido por apresentar um custo financeiro mais baixo que outras

opções de materiais transparentes. Foram utilizadas duas camadas do material plástico na

construção de cada placa de proteção transparente. A Figura 3.7 mostra um esquema da placa

de proteção transparente construída.

Figura 3.7 – Esquema da sobreposição da placa de proteção transparente ao coletor solar alternativo.

Foram realizados experimentos passivos e ativos, nas três vazões de circulação

distintas utilizadas, sendo a aquisição de dados de temperatura feita a cada quinze minutos

durante o principal período de insolação do dia.

Plástico Vulcan

Armação de madeira

Coletor Alternativo


3.2.4 ENSAIOS CONTÍNUOS

Os ensaios contínuos foram realizados com o propósito de observar as variações

ocorridas no sistema quando ocorriam, simultaneamente, entrada e saída de água na unidade

experimental. Tais ensaios são também chamados de ‘simulação de banhos’.

Para proceder com os experimentos, mediu-se a vazão das torneiras que permitiam a

saída de água quente de cada um dos dois boilers (reservatório de cada coletor alternativo), a

fim de compará-la à vazão de um chuveiro elétrico comum.

A vazão de saída foi medida em três posições diferentes da válvula de abertura,

sendo escolhida a vazão intermediária das duas torneiras, que indicavam, respectivamente,

101,98 L/h e 115,38 L/h para as torneiras que permitiam saída de fluido quente dos

reservatórios acoplados ao coletor de PVC e de PP. A vazão de entrada de água fria nos

boilers era controlada por uma bóia presente nos reservatórios.

Observa-se que a vazão de saída de água quente do boiler acoplado ao coletor de

PVC equivale a aproximadamente 57% da vazão de um chuveiro elétrico comum, utilizado

nas residências brasileiras. Já a vazão de saída de água quente do reservatório ligado ao

coletor de PP representa aproximadamente 65% da vazão de um chuveiro elétrico simples,

presente nas residências brasileiras.

O procedimento experimental nesta etapa consistia em aquecer a água em regime

batelada até o período da tarde no qual se observava uma maior insolação. Nesse instante,

abriam-se as torneiras (para a retirada de água quente dos boilers) e as válvulas (para a

entrada de água fria no sistema), dando-se início ao processo contínuo. A simulação dos

banhos era feita por um período de quarenta minutos para o boiler do coletor de PVC e uma

hora para o boiler do coletor de PP.

Foram simulados banhos em processo termossifão, bem como em processos ativos

(bombeados a 20, 40 e 60 L/h). Também foram realizados experimentos com ausência e

presença de placa de proteção transparente.

Os resultados obtidos em cada configuração serão apresentados e discutidos no

capítulo a seguir.

CAPÍTULO IV

RESULTADOS E DISCUSSÃO

Por se tratar de um estudo experimental e qualitativo, dada a impossibilidade de se

reproduzir as mesmas condições de um dia de ensaio em outro dia, os resultados aqui

expostos têm como intuito a realização de uma análise do comportamento dos dados de

temperatura registrados.

Foi analisada a temperatura máxima de saída de água aquecida em cada coletor

alternativo, bem como a distribuição de temperaturas durante todo o período do ensaio, para

cada configuração estudada, a saber:

o sistema termossifão em regime batelada e ausência de placa de proteção

transparente;

o sistemas ativos (nas vazões de bombeamento de 20, 40 e 60 L/h) em regime

batelada e ausência de placa de proteção transparente;

o experimentos ativos e termossifão com presença de placa de proteção

transparente e em regime batelada;

o experimentos ativos e termossifão, com ausência e presença de placa de

proteção transparente e em regime contínuo;

Em todos os ensaios, foi calculado o valor da radiação solar incidente sobre o plano

a uma inclinação (β) de 30º, latitude da cidade de Uberlândia-MG (φ) de -18,91º e azimute do

plano inclinado (γ) de 180º. Os valores de radiação incidente sobre o plano horizontal,

temperatura ambiente e umidade relativa do ar, requeridos para dar prosseguimento à

realização de tais cálculos, foram retirados do site INMET.

Para os sistemas ativos (bombeados a 20, 40 e 60 L/h) e termossifão, calculou-se a

eficiência diária obtida em cada experimento, através da Equação 2.46. O calor útil foi

calculado utilizando o valor de 4183 J/kgºC para o calor específico e densidade de 1000

kg/m3, através da Equação 2.42.

As características observadas para cada dia de ensaio, tais como: dia ensolarado ou

nublado, por exemplo, encontram-se no Apêndice D.

Capítulo IV – Resultados e Discussão__________________________________________ 44

4.1 SISTEMA TERMOSSIFÃO

Todos os experimentos nos quais a circulação ocorria por convecção natural, o que

caracterizava o sistema termossifão, apresentaram o mesmo comportamento de distribuição de

temperatura e faixa de temperatura máxima atingida na saída do coletor, para os ensaios em

regime batelada e com ausência de placa de proteção transparente. Os ensaios dos dias

06/07/2009 e 29/07/2009 representam bem esses resultados.

As Figuras 4.1, 4.2, 4.3 e 4.4 mostram a distribuição de temperatura nos coletores

alternativos nos ensaios dos dias 06/07/2009 e 29/07/2009, as temperaturas máximas atingidas

na saída de cada coletor, bem como o tempo que a superfície do material alternativo (PVC ou

PP) levou para elevar a temperatura da água de seu valor inicial ao valor máximo registrado.

Observa-se, pela Figura 4.1, que a temperatura máxima atingida no coletor de PP,

no experimento do dia 06/07/2009, foi de 43,36 ºC, obtida no intervalo entre as 14 h e 15 h,

tendo o coletor de polipropileno levado um tempo de 6 h para acrescentar 28 ºC à temperatura

inicial de entrada da água no coletor. O gradiente de temperatura no período de maior

insolação do dia foi de aproximadamente 12 ºC, conforme Figura 4.1.

Figura 4.1 – Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 06/07/2009, no coletor alternativo de PP.

Já para o coletor de PVC, observa-se um gradiente de temperatura de 5,0 ºC no

principal período de insolação do dia, sendo, no mesmo período, que a temperatura máxima


alcançada foi de 34,5 ºC, conforme mostra a Figura 4.2. Nota-se que o coletor de PVC levou

um tempo de aproximadamente 6 h para acrescentar aproximadamente 25,6 ºC à temperatura

inicial de entrada da água no sistema.

Figura 4.2 – Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 06/07/2009, no coletor alternativo de PVC.

Observa-se, para ambos os coletores, que à medida que a água vai se aquecendo, há

uma transferência de calor no fluido presente no interior do reservatório, o que é evidente pelo

aumento da temperatura de entrada da água no coletor. Nota-se também que, durante todo o

período do ensaio, o gradiente de temperatura manteve-se praticamente constante em cada

coletor, sofrendo uma queda brusca após o período de maior insolação do dia.

O ensaio do dia 29/07/2009 revela resultados semelhantes ao ensaio do dia

06/07/2009, como se pode observar através das Figuras 4.3, para o coletor de PP e Figura 4.4,

para o coletor de PVC.

Na Figura 4.3, para ensaio termossifão em regime batelada, sem placa de proteção

transparente, nota-se um gradiente de temperatura no período de maior insolação do dia, de

13,35 ºC, sendo a temperatura máxima alcançada de 49,22 ºC. Observa-se que o coletor de PP

levou aproximadamente 5 h para elevar 30 ºC à temperatura inicial de entrada de água na

unidade.


Figura 4.3 – Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 29/07/2009, no coletor alternativo de PP.

Figura 4.4 – Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 29/07/2009, no coletor alternativo de PVC.

Já no coletor de PVC, pode-se observar um gradiente de temperatura de 3,2 ºC no

período de maior insolação do dia, sendo a temperatura máxima atingida de 39,2 ºC,

observada no intervalo entre as 14 h e 15 h. Nota-se, de acordo com Figura 4.4, que o coletor

de PVC levou 5 h para acrescentar 23,5 ºC à temperatura inicial de entrada de água no

sistema.


Os valores calculados de radiação incidente sobre o plano inclinado para os dias de

ensaio, calculados através da Equação 2.35, bem como o somatório dos valores de radiação

solar incidente sobre a superfície horizontal, obtidos no site do Instituto Nacional de

Meteorologia (INMET), são mostrados na Tabela 4.1.

Tabela 4.1 – Valores do Somatório da Radiação Total sobre o Plano Inclinado.

TMAX (ºC) ∆Τ (ºC) Data Dia do

ano (n)

Declinação

(δ)

ΣI

(kJ/m2)

ΣIT

(kJ/m2) PP PVC PP PVC

06/07/2009 187 -22,69 16534 14901 43,4 34,6 12,1 5,0

29/07/2009 210 -18,67 18343 16558 49,2 39,2 13,3 3,2

01/07/2009 182 -23,12 12846 11602 39,8 30,7 14,1 2,9

02/07/2009 183 -23,05 15896 14223 44,0 35,9 13,9 4,8

04/07/2009 185 -22,88 13818 12707 42,5 32,4 14,6 6,8

10/07/2009 191 -22,24 15871 14508 43,4 33,9 11,6 4,1

11/07/2009 192 -22,11 14877 13636 41,7 32,8 13,5 5,8

13/07/2009 194 -21,82 16417 14766 44,8 34,6 12,8 5,1

14/07/2009 195 -21,67 16483 14803 44,7 34,9 13,5 5,1

28/07/2009 209 -18,91 16602 15084 45,2 35,9 13,6 3,4

30/07/2009 211 -18,42 16284 14942 46,8 36,6 12,0 4,5

31/07/2009 212 -18,17 18801 16908 48,1 38,1 13,7 4,4

04/08/2009 216 -17,11 14719 13570 51,8 33,9 20,5 3,6

A Tabela 4.2, a seguir, mostra os valores de eficiência diária calculados para cada

dia de ensaio, em cada coletor alternativo, bem como o calor recebido pelas placas coletoras

durante o ensaio.

A metodologia utilizada para a realização do cálculo da taxa mássica nos coletores

alternativos funcionando em sistema termossifão, baseou-se num balanço de energia feito no

boiler a partir dos valores de temperatura disponíveis ao longo do experimento. Os valores

calculados para a vazão mássica circulante nos coletores de PVC e PP foram,

respectivamente, 0,658 kg/min e 0,347 kg/min. O procedimento para esses cálculos encontra-

se no Apêndice C.

Os gráficos de distribuição de temperatura dos demais experimentos termossifão em

regime batelada e com ausência de placa de proteção transparente, realizados nos dias


01/07/2009, 02/07/2009, 04/07/2009, 10/07/2009, 11/07/2009, 13/07/2009, 14/07/2009,

28/07/2009, 30/07/2009, 31/07/2009 e 04/08/2009, estão expostos no Apêndice A.

Tabela 4.2 – Calor Útil e Eficiência Diária para Ensaios em Sistema Termossifão.

Qu (J/s) η(%) Ensaio

PVC PP PVC PP

01/07/2009 1521,2 2219,5 47,19 68,86

02/07/2009 2285,6 2683,6 57,85 67,92

04/07/2009 1671,4 2441,5 47,35 69,17

06/07/2009 2192,4 2594,0 52,96 62,66

10/07/2009 1985,8 2541,8 49,27 63,07

11/07/2009 1873,4 2448,9 49,45 64,65

13/07/2009 2232,6 2868,3 54,43 69,93

14/07/2009 2327,3 3055,6 56,59 74,31

28/07/2009 2094,2 2900,9 49,98 69,23

29/07/2009 2050,1 3021,5 44,57 65,69

30/07/2009 1805,5 2698,2 43,39 65,00

31/07/2009 1944,7 3033,9 41,40 64,59

04/08/2009 1755,2 2912,8 46,56 77,27

Nota-se que, nas mesmas condições operacionais e geométricas, o coletor de PP

mostrou-se mais viável, pois para uma mesma área de coleta em relação ao coletor de PVC,

alcançaram-se temperaturas máximas entre 40 ºC e 52 ºC, contra valores de temperatura de 30

ºC a 40 ºC no coletor de PVC.

Neste trabalho não foram realizados ensaios no sistema convencional de

aquecimento de água, que usa placa coletora de cobre. Tais experimentos foram realizados

por SIQUEIRA (2009). Tem-se que, para um ensaio termossifão realizado no coletor de

cobre, foi encontrado um valor de 46,5 ºC de temperatura máxima atingida no boiler

convencional, ao passo que, no mesmo dia e nas mesmas condições operacionais, foram

encontrados valores de 45,6 ºC e 41,8 ºC de temperatura máxima registrados nos reservatórios

alternativos de PVC e PP, respectivamente.

Os demais resultados obtidos nos ensaios realizados por SIQUEIRA (2009) no

sistema convencional de aquecimento solar de água estão expostos no Anexo A.


4.2 SISTEMAS ATIVOS

Os ensaios utilizando circulação forçada, em regime batelada e sem a placa de

proteção transparente, foram realizados usando-se uma bomba peristáltica em três vazões

distintas, a saber, 20 L/h, 40 L/h e 60 L/h.

Os resultados são mostrados na forma de distribuição de temperatura, gradiente de

temperatura no principal período de insolação do dia e temperatura máxima alcançada com o

experimento, para cada vazão experimentada.

4.2.1 BOMBEAMENTO A 20 L/h

Os experimentos ativos bombeados a 20 L/h, sem proteção transparente e em regime

batelada tiveram seu comportamento representado para o coletor de PP e de PVC,

respectivamente, através das Figuras 4.5 e 4.6.

Nota-se que, para o PP, o gradiente de temperatura observado no período do dia de

maior insolação foi de 22,16 ºC, conforme Figura 4.5. Pode-se observar também que a

temperatura máxima alcançada na saída de água do coletor de PP foi de 48,88 ºC, observada

às 13 h, e que esse material levou um tempo de aproximadamente 4 h para elevar 31,66 ºC à

temperatura inicial de temperatura de entrada de água no coletor.

Figura 4.5 – Experimento bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 11/08/2009, no coletor alternativo de PP.

Já para o coletor de PVC, conforme Figura 4.6, pode-se observar um gradiente de

temperatura no principal período de insolação do dia de 20,50 ºC, sendo que a temperatura


máxima atingida, nesse mesmo período, foi de 38,8 ºC. Nota-se que o coletor de PVC levou

um tempo aproximado de 3 h para acrescentar 24,67 ºC à temperatura inicial de entrada de

água na placa coletora.

Figura 4.6 – Experimento bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 11/08/2009, no coletor alternativo de PVC.

A Tabela 4.3, a seguir, mostra os valores de temperatura máxima alcançados em

cada ensaio feito utilizando-se vazão de escoamento de 20 L/h, em regime batelada e sem a

placa de proteção transparente.

Tabela 4.3 – Temperatura Máxima Obtida em Cada Ensaio Ativo (20 L/h).

Temperatura Máxima (ºC) Data do Experimento

PP PVC

15/07/2009 46,85 35,74

16/07/2009 43,00 33,19

17/07/2009 46,20 33,99

06/08/2009 49,79 41,35

10/08/2009 48,38 40,34

11/08/2009 48,88 38,82

12/08/2009 49,46 39,23

13/08/2009 47,58 36,83

12/03/2010 41,1 43,8


Os valores totais da radiação incidente sobre os coletores inclinados durante os dias

de ensaio, bem como a eficiência diária obtida em cada experimento, para cada um dos

coletores alternativos, são mostrados na Tabela 4.4, a seguir.

Tabela 4.4 – Radiação Total, Calor Útil Absorvido e Eficiência Diária (20 L/h).

Qu (J/s) η(%) Data

Dia do

ano (n)

Declinação

(δ)

ΣI

(kJ/m2)

ΣIT

(kJ/m2) PVC PP PVC PP

11/08/2009 223 -15,05 18652 17144 2235 3385 46,9 71,1

15/07/2009 196 -21,51 16764 15084 1925 2957 50,2 77,2

16/07/2009 197 -21,35 14374 13153 1488 2484 40,7 67,9

17/07/2009 198 -21,18 17186 15517 1821 3147 42,2 73,0

06/08/2009 218 -16,54 18755 17080 2268 3321 47,8 69,9

10/08/2009 222 -15,36 18934 17329 1893 3123 39,3 64,8

12/08/2009 224 -14,74 19436 17777 2051 3147 41,5 63,7

13/08/2009 225 -14,43 18289 16903 1748 2906 37,2 61,9

12/03/2010 71 4,02 16711 16746 4046 2859 86,9 61,4

Nas Tabelas 4.2 e 4.4, ao se analisar os valores das eficiências diárias calculados

para a placa coletora de polipropileno, observa-se que, para os ensaios termossifão e

bombeado a 20 L/h, a média de eficiência diária é de 67,8%. Tal ‘coincidência’ é explicada

pelo fato de que o fluido em circulação natural no coletor de PP possui um tempo de

residência de 11,5 minutos, valor muito próximo ao tempo de residência no coletor de PP para

o fluido circulando a uma vazão de 20 L/h, que é de 12 minutos, ou seja, o sistema

termossifão e o sistema bombeado a 20 L/h proporcionam uma vazão mássica praticamente

idêntica no equipamento. Já para o PVC, o tempo de residência para o fluido circulando a

uma vazão de 20L/h é de 30 minutos, contra 15,2 minutos de tempo de residência do sistema

termossifão.

Observa-se que nas mesmas condições operacionais e geométricas, para o sistema

batelada com vazão de 20 L/h, o coletor de PP apresentou valores de temperatura entre 41 ºC

e 49 ºC, ao passo que o coletor de PVC apresentou temperaturas máximas no intervalo de 34

ºC a 44 ºC.

Os demais experimentos realizados nas mesmas condições de regime batelada,

ausência de placa protetora transparente e vazão de bombeamento de 20 L/h, executados nos

dias 15/07/2009, 16/07/2009, 17/07/2009, 06/08/2009, 10/08/2009, 12/08/2009, 13/08/2009 e


12/03/2010, apresentaram comportamento análogo ao revelado pelo ensaio do dia 11/08/2009

(mostrado através das Figuras 4.5 e 4.6) e têm seus gráficos de distribuição de temperatura

expostos no Apêndice A.


Foram realizados seis ensaios utilizando escoamento ativo com vazão de 40 L/h, em

regime batelada e com ausência de placa de proteção transparente. Os resultados dos seis

experimentos apresentaram o mesmo comportamento de distribuição de temperatura e

temperatura máxima atingida. Tais resultados são bem representados pelas Figuras 4.7 e 4.8,

que mostram a distribuição de temperatura e temperatura máxima alcançada em cada coletor

alternativo para o ensaio do dia 11/09/2009.

Nota-se, pela Figura 4.7, que a temperatura máxima alcançada na saída do coletor de

PP foi de 45,44 ºC, observada no período das 13 h, e que o gradiente de temperatura nesse

mesmo período foi de 12,14 ºC. Verifica-se que o coletor de PP levou aproximadamente 5 h

para acrescentar 27,22 ºC à temperatura inicial de entrada de água na placa coletora.


A temperatura máxima registrada na saída de água do coletor de PVC foi de 30,14

ºC, observada no período das 14 h, sendo nesse mesmo período, observado um gradiente de


temperatura de 3,27 ºC. Nota-se que o coletor de PVC levou um tempo aproximado de 6 h

para elevar 15,83 ºC à temperatura inicial de entrada de água na placa coletora, conforme

mostra a Figura 4.8.


Pode-se notar, em ambos os coletores, que tanto o PP quanto o PVC foram bastante

sensíveis às variações climáticas, fato observado pelo repentino decréscimo na temperatura de

saída dos coletores no período das 12 h. Observa-se, porém, que o coletor de PVC mostrou-se

bem mais sensível que o de PP, pois tanto no início quanto no final do ensaio, a placa coletora

de PVC registrou temperaturas de saída menores que suas respectivas temperaturas de

entrada.

Visto que os coletores encontram-se expostos ao tempo, sofrendo tanto a incidência

de raios solares quanto a exposição ao vento e à chuva, a ocorrência de pontos nos quais a

temperatura de saída é menor que a temperatura de entrada da água no coletor se deve,

provavelmente, à média de velocidade dos ventos no período de ensaio e, também, à

ocorrência de nuvens mais carregadas durante algum período do dia de ensaio.

Ao se comparar a Figura 4.8 com as Figuras 4.4 e 4.2, observa-se o mesmo

comportamento do líquido no coletor de PVC para o sistema termossifão e o sistema ativo

bombeado a 40 L/h. Notam-se gradientes de temperatura praticamente constantes durante os


dias de ensaio, na faixa de 3,8 ºC para o sistema ativo e 4,5 ºC para o sistema termossifão.

Além disso, observa-se também que os níveis de temperatura máxima alcançados em ambas

as configurações são da ordem de 35,0 ºC para o sistema termossifão e da ordem de 30,0 ºC

para o sistema bombeado com vazão de 40 L/h. O tempo de residência do fluido no interior

do coletor de PVC explica a semelhança de comportamento entre essas configurações, pois

para o sistema passivo encontra-se um tempo de residência de 15,2 minutos, ao passo que

para o sistema ativo com vazão de 40 L/h o tempo de residência é de 15 minutos.

Para os ensaios ativos com vazão de 40 L/h, em regime batelada e sem a proteção

transparente sobre os coletores, os valores registrados de radiação solar incidente no plano

inclinado, bem como a eficiência de cada coletor, em cada experimento, são mostrados

através da Tabela 4.5.


Qu (J/s) η(%) Data

Dia do

ano (n)

Declinação

(δ)

ΣI

(kJ/m2)

ΣIT


11/09/2009 254 -3,81 21074 20685 583 4201 10,1 73,1

15/08/2009 227 -13,78 17033 15801 938 3593 21,4 81,8

31/08/2009 243 -8,10 18871 18016 594 4139 11,8 82,7

08/09/2009 251 -5,01 18685 18159 198 3866 3,93 76,6

14/09/2009 257 -2,62 21081 20982 938 4400 16,1 75,5

12/11/2009 316 18,42 16220 19387 -6,44 3057 ... 56,7

Ressalta-se que foram observadas condições de tempo nublado durante algumas

tardes dos dias dos ensaios ativos com vazão de 40 L/h, o que explica, por exemplo, a perda

de calor do dia 12/11/2009, mais evidente para o coletor de PVC.

Os gráficos de distribuição de temperatura (nos quais se observam dados como:

temperatura máxima atingida, gradiente de temperatura e tempo gasto para alcançar a

temperatura máxima) para os ensaios realizados nos dias 15/08/2009, 31/08/2009,

08/09/2009, 14/09/2009 e 12/11/2009 são mostrados no Apêndice A.


cada ensaio realizado utilizando-se vazão de escoamento de 40 L/h, em regime batelada e sem

a placa de proteção transparente.


Tabela 4.6 – Temperatura Máxima Obtida em Cada Ensaio Ativo (40 L/h).

Temperatura Máxima (ºC) Data do Experimento

PP PVC

15/08/2009 39,73 26,76

31/08/2009 43,07 27,00

08/09/2009 45,67 28,66

11/09/2009 45,43 30,14

14/09/2009 46,93 31,69

12/11/2009 43,51 34,97

Nota-se que o coletor de PP, nas mesmas condições operacionais e geométricas que

o coletor de PVC, apresentou valores entre 39,8 ºC e 46,9 ºC para temperatura máxima

alcançada, contra valores entre 26,7 ºC e 34,9 ºC registrados para o coletor de PVC.


Os experimentos realizados utilizando-se uma vazão de bombeamento de 60 L/h, em

regime batelada e sem a presença de placa protetora transparente, obtiveram resultados com

comportamentos semelhantes. O ensaio do dia 16/11/2009 representa bem esse

comportamento, que pode ser visto através das Figuras 4.9 e 4.10, nas quais se observam as

distribuições de temperatura para ambos os coletores, os gradientes de temperatura para o

período de maior insolação do dia, bem como as temperaturas máximas alcançadas em cada

coletor e o tempo gasto para se chegar a essas temperaturas.

A Figura 4.9 mostra a distribuição de temperatura obtida no ensaio realizado no

coletor de polipropileno. Pode-se observar que a temperatura máxima alcançada nesse ensaio

foi de 49,12 ºC, observada no período das 15 h e que, para atingir essa temperatura, o coletor

de PP levou um tempo aproximado de 7 h, acrescentando 29,25 ºC à temperatura inicial de

entrada da água na placa coletora. Nota-se que o gradiente de temperatura no principal

período de insolação do dia foi de aproximadamente 9,0 ºC.




Já para a placa coletora de PVC, com vazão de bombeamento de 60 L/h, pode-se

observar, conforme Figura 4.10, que o gradiente de temperatura registrado no momento em


que se marcava um valor de 40,43 ºC para temperatura (valor máximo alcançado), foi de 3,3

ºC. Nota-se também que o material PVC levou um tempo aproximado de 7 h para elevar 23,9

ºC à temperatura inicial de entrada de água na unidade.

Nota-se, para ambos os coletores alternativos, que à medida que água vai se

aquecendo e circulando na unidade, a temperatura de entrada da água no coletor vai

aumentando gradativamente até atingir 38,4 ºC no coletor de PVC e 41,8 ºC no coletor de PP,

níveis de temperatura não observados em outras configurações. Isso certamente se deve ao

fato de que a vazão de 60 L/h provoca turbulência no boiler, ocasionando a perda da

estratificação e, conseqüentemente, a entrada de água já aquecida na placa coletora.

Os valores calculados de radiação total sobre a superfície inclinada, o calor útil

absorvido por cada coletor alternativo e a eficiência atingida pelos coletores, são mostrados na

Tabela 4.7, na qual também está registrado o somatório da radiação incidente sobre a

superfície horizontal, valor disponibilizado pelo Instituto Nacional de Meteorologia (INMET),

para os dias dos ensaios.


Qu(J/s) η(%) Data

Dia do

ano (n)

Declinação

(δ)

ΣI

(kJ/m2)

ΣIT


16/11/2009 320 19,38 26053 33887 1613 5341 17,1 56,7

15/09/2009 258 -2,21 18270 18258 371 3014 7,3 59,4

16/09/2009 259 -1,81 22852 22935 616 5190 9,6 81,5

17/09/2009 260 -1,41 21475 21671 998 4733 16,6 78,6

10/11/2009 314 17,91 11389 14036 269 3289 6,9 84,3

18/11/2009 322 19,82 25409 31993 1333 4575 15,0 51,8

Os gráficos de distribuição de temperatura para os demais experimentos realizados

nos dias 15/09/2009, 16/09/2009, 17/09/2009, 10/11/2009 e 18/11/2009 estão expostos no

Apêndice A.


cada ensaio realizado utilizando-se vazão de escoamento de 60 L/h, em regime batelada e sem

a placa de proteção transparente.


Tabela 4.8 – Temperatura Máxima Obtida em Cada Ensaio Ativo (60 L/h). Temperatura Máxima (ºC)

Data do Experimento PP PVC

15/09/2009 45,75 29,74

16/09/2009 50,39 34,37

17/09/2009 47,73 33,37

10/11/2009 38,64 31,15

16/11/2009 49,12 40,43

18/11/2009 46,84 36,22

Assim como constatado para as outras vazões de bombeamento, para os ensaios

batelada bombeados a 60 L/h o coletor de PP também mostrou-se mais viável que o coletor de

PVC, levando-se em consideração os níveis de temperatura máxima alcançados, de acordo

com a Tabela 4.8.

A explicação para o fato de o coletor de PP proporcionar, em regra, maiores

temperaturas do que as verificadas para o PVC, encontra-se no volume útil que cada coletor

mantém dentro de si durante a operação. No caso do coletor de PP, o volume útil é de 4 L, ao

passo que no coletor de PVC o volume útil é de 10 L. Conseqüentemente, para as mesmas

condições meteorológicas e idêntica área de coleta de energia solar, o coletor de PP terá uma

menor massa de água para sofrer determinada variação térmica quando comparado ao PVC.

Os volumes dos coletores utilizados neste trabalho foram diferentes porque foram adaptados a

partir de placas para forros residenciais e comerciais, previamente estabelecidas pelo

fabricante.

Comparando-se os sistemas ativos experimentados com o sistema termossifão, pode-

se verificar que a média dos valores de temperatura máxima alcançados, para o coletor de PP,

nos sistemas ativos é de 45,75 ºC, ao passo que para o sistema termossifão calcula-se uma

média de temperatura máxima de 45,03 ºC. Para o coletor de PVC, a média dos valores de

temperatura máxima alcançados nos sistemas ativos é de 34,07 ºC, contra uma média de

temperatura máxima no sistema termossifão de 34,88 ºC. Tais resultados mostram que, em

relação aos valores de temperatura máxima alcançados na saída dos coletores, não há

justificava para o uso de bombas no sistema de aquecimento solar em regime batelada.

O uso de bombeamento não aumentou a temperatura do fluido no coletor solar

quando comparado ao sistema termossifão, para ambos os coletores, pois, apesar do PVC e


PP terem praticamente as mesmas condutividades térmicas (k = 0,17 W/mºC), esta

propriedade física é consideravelmente menor do que as observadas para materiais condutores

(por exemplo, o cobre tem condutividade térmica cerca de 3500 vezes maior do que os

materiais utilizados neste trabalho). Nesta hipótese, pela própria natureza dos materiais

alternativos (PP e PVC – maus condutores), será inevitável a presença de altos valores para as

resistências térmicas condutivas no coletor. Sabe-se que durante a transferência de calor da

superfície do coletor para o interior do fluido, há duas resistências térmicas a serem vencidas:

uma condutiva (no coletor) e outra convectiva (do coletor para o fluido). Provavelmente,

pelos motivos anteriormente expostos, a transferência de calor, independentemente do

material do coletor, está sendo controlada pela resistência térmica condutiva. Significa dizer

que a resistência térmica condutiva está sendo muito maior do que a convectiva. Em outras

palavras, mesmo em virtude do bombeamento (aumento dos coeficientes de película e,

consequentemente, diminuição da resistência térmica convectiva) o fenômeno de

transferência de calor continuará sendo controlado pelo mecanismo de condução.

4.3 PRESENÇA DE PLACA DE PROTEÇÃO TRANSPARENTE

Os ensaios utilizando a sobreposição de uma placa de proteção transparente aos

coletores alternativos e em regime batelada foram realizados para escoamento ativo (nas três

vazões de bombeamento, a saber, 20 L/h, 40 L/h e 60 L/h) e escoamento passivo (ou

termossifão).

Os resultados obtidos são mostrados na forma de distribuição de temperatura,

gradiente de temperatura no principal período de insolação do dia e temperatura máxima

alcançada com o experimento, para cada configuração estudada.

A Tabela 4.9 mostra o somatório da radiação solar incidente sobre os coletores

solares alternativos planos inclinados nos dias de ensaio, bem como o valor da eficiência

diária para cada vazão utilizada nos experimentos ativos. É possível perceber, pela Tabela 4.9,

que a sobreposição da placa de proteção transparente aos coletores alternativos resultou em

valores maiores para os somatórios da radiação solar total incidente sobre o plano inclinado

em relação aos somatórios da radiação total incidente na superfície horizontal, o que não

havia acontecido em nenhum experimento anterior.


Tabela 4.9 – Valores Calculados de Radiação Incidente sobre Coletores Inclinados para Experimentos Batelada com Presença de Placa de Proteção Transparente.

Ensaio Data Dia do ano

(n)

ΣI

(kJ/m2)

ΣIT

(kJ/m2) η(%)

Termossifão 04/02/2010 35 23921 29268 PP PVC

20L/h 19/01/2010 19 23308 30683 35,3 42,1

40L/h 01/02/2010 32 25846 35911 50,1 44,3 Ativo

60L/h 20/01/2010 20 23621 29837 57,1 78,8

4.3.1 TERMOSSIFÃO COM PRESENÇA DE PLACA DE PROTEÇÃO

TRANSPARENTE EM REGIME BATELADA

Foi realizado um ensaio termossifão, com presença de placa de proteção transparente

e em regime batelada, no dia 04/02/2010. As Figuras 4.11 e 4.12 mostram as distribuições de

temperatura para os ensaios realizados utilizando-se coletor de PP e coletor de PVC,

respectivamente.

Figura 4.11 – Experimento termossifão, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 04/02/2010, no coletor alternativo de PP.

Observa-se, na Figura 4.11, que a temperatura máxima alcançada foi de 49,2 ºC,

atingida no período das 15 h. Nesse mesmo período, o gradiente de temperatura foi de 16,7 ºC

e pode-se notar que o coletor de PP levou um tempo aproximado de 7 h para acrescentar 37,3


ºC à temperatura inicial de entrada de água na placa coletora. A eficiência diária calculada foi

de 44,5 %.

Já a placa coletora construída com PVC apresentou, para o principal período de

insolação do dia, um gradiente de temperatura de 15,8 ºC, sendo a temperatura máxima

alcançada de 45,9 ºC. O tempo necessário ao PVC para elevar 39,7 ºC à temperatura inicial de

entrada de fluido no coletor foi de 7 h, conforme se pode observar pela Figura 4.12. A

eficiência diária calculada para esse ensaio foi de 85,7 %.

Figura 4.12 – Experimento termossifão, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 04/02/2010, no coletor alternativo de PVC.

Comparando-se as médias dos resultados de temperatura máxima e gradientes de

temperatura para os experimentos termossifão batelada e sem placa protetora transparente,

registrados na Tabela 4.1, com os resultados mostrados nas Figuras 4.11 e 4.12, para

experimentos termossifão batelada, porém com presença de placa de proteção transparente,

pode-se observar um aumento aproximado de 4,0 ºC na temperatura máxima de saída no

coletor de PP com presença de placa protetora transparente, ao passo que, a presença de uma

proteção transparente sobre o coletor de PVC, proporcionou um acréscimo de 11,0 ºC na

temperatura de saída do coletor.

Acredita-se que o uso de proteção transparente no sistema termossifão aumentou a

temperatura do fluido no coletor solar, tanto para o PVC quanto para o PP, pelo fato de que

mesmo com a pintura das superfícies de PVC e PP com tinta preta, a fim de aproximá-los, por

definição, a um corpo negro (superfície ideal), os coletores não se comportaram como tal e


acabaram inevitavelmente refletindo uma parcela da energia incidente. Concomitantemente ao

fenômeno de reflexão, as superfícies de PVC e PP (“negras”) acabaram perdendo uma

quantidade significativa de energia devido ao fenômeno de emissão causado pelo aumento de

temperatura da estrutura coletora durante o funcionamento dos ASBC. Logo, com a utilização

da proteção transparente, tanto a parcela de energia refletida quanto a parcela de energia

emitida tenderam a permanecer no espaço confinado (entre o coletor e a proteção

transparente), ordinariamente denominado pela literatura como “efeito estufa”. Assim, ao

invés de serem perdidas, provavelmente elas passaram a ser direcionadas para o interior do

coletor, o que explica o aumento de temperatura do fluido nos experimentos que tiveram o

emprego da proteção transparente.

4.3.2 ENSAIOS ATIVOS COM PRESENÇA DE PLACA DE PROTEÇÃO

TRANSPARENTE EM REGIME BATELADA

Foram realizados três ensaios ativos (um para cada vazão de bombeamento) em

regime batelada com presença de placa de proteção transparente sobre os coletores

alternativos de PVC e de polipropileno.

4.3.2.1 VAZÃO DE 20 L/h

No ensaio do dia 19/01/2010 foi utilizada a vazão de 20 L/h no experimento, cujos

gráficos de distribuição de temperatura são mostrados nas Figuras 4.13 e 4.14.

Figura 4.13 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 19/01/2010, no coletor alternativo de PP.


Pode-se observar na Figura 4.13 que a temperatura máxima alcançada na saída do

fluido do coletor de PP foi de 50,1 ºC, registrada no período das 13 h, sendo que, nesse

mesmo período, o gradiente de temperatura foi de 23,45 ºC. Nota-se que o coletor levou

aproximadamente 4 h para atingir a temperatura máxima, acrescentando 31,5 ºC à temperatura

inicial de entrada de água na placa coletora. A eficiência diária calculada foi de 35,29 %.

De acordo com a Figura 4.14, o experimento realizado no coletor de PVC atingiu

uma temperatura máxima de 46,8 ºC, possuindo um gradiente de temperatura, observado no

período de maior insolação do dia, de 25,9 ºC. Nota-se também que, assim como ocorreu no

coletor de PP, o coletor de PVC levou um tempo aproximado de 4 h para acrescentar 31,5 ºC

à temperatura inicial de entrada de água na placa coletora. A eficiência diária calculada foi de

42,07 %.

Figura 4.14 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime batelada e com proteção transparente, realizado no dia 19/01/2010, no coletor alternativo de PVC.

Procedendo-se com o cálculo da média aritmética dos valores de temperatura

máxima alcançados em cada experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem

a presença da placa de proteção transparente, encontrados na Tabela 4.3, observa-se um

aumento aproximado de 2,5 ºC na temperatura de saída do fluido no ensaio utilizando a placa

de proteção transparente acoplada ao coletor de PP. Para o coletor de PVC, o acréscimo na

temperatura de saída do fluido no experimento utilizando a sobreposição da placa de proteção

transparente ao coletor alternativo, foi de aproximadamente 9,0 ºC.


4.3.2.2 VAZÃO DE 40 L/h

Foi utilizada uma vazão de bombeamento de 40 L/h no ensaio do dia 01/02/2010,

em regime batelada e com a sobreposição de uma placa de proteção transparente a cada placa

coletora alternativa.


A Figura 4.15 mostra a distribuição de temperatura de entrada e saída de água do

coletor de PP durante o dia do experimento. Pode-se observar uma temperatura máxima de

42,5 ºC, registrada no período das 13 h, sendo o gradiente de temperatura obtido no mesmo

período do dia de 16,35 ºC. Nota-se que o coletor de PP levou 4 h para acrescentar 27,2 ºC à

temperatura inicial de entrada de água na placa coletora. A eficiência diária calculada foi de

50,1 %.

Para o coletor de PVC, conforme a Figura 4.16, observa-se que a temperatura

máxima alcançada foi de 42,0 ºC, sendo registrado um gradiente de temperatura de 11,8 ºC.

Nota-se que o coletor de PVC acoplado a uma placa de proteção transparente levou um tempo

aproximado de 7 h para acrescentar 23,8 ºC à temperatura inicial de entrada de água na placa

coletora. A eficiência diária calculada neste ensaio foi de 44,3 %.



Comparando-se a média dos resultados para os experimentos ativos com vazão de

40 L/h, em regime batelada e sem a presença da placa de proteção transparente sobre os

coletores alternativos, mostrados na Tabela 4.6, observa-se que a sobreposição da placa

transparente ao coletor de PP não proporcionou acréscimo de temperatura, ao passo que, para

o coletor de PVC acoplado à placa de proteção transparente, o acréscimo de temperatura foi

de 12,13 ºC.

4.3.2.3 VAZÃO DE 60 L/h

A vazão de circulação de 60 L/h foi utilizada no ensaio do dia 20/01/2010, em

regime batelada e com a sobreposição da placa de proteção transparente ao coletor alternativo.

Os resultados para ambos os coletores são mostrados em gráficos de distribuição de

temperaturas na entrada e na saída da água dos coletores durante o dia de ensaio, através da

Figura 4.17 e da Figura 4.18.



A Figura 4.17 mostra que, para o coletor de PP acoplado à placa protetora

transparente, a temperatura máxima alcançada no dia do ensaio foi de 43,0 ºC, registrada às

13 h. O gradiente de temperatura nesse mesmo período de tempo foi de 11,4 ºC. Percebe-se

que foram necessárias 4 h para o coletor elevar a temperatura inicial de entrada de água no

coletor em 23,7 ºC. A eficiência diária calculada foi de 57,1 %.



Na Figura 4.18 pode-se observar uma temperatura máxima alcançada de 42,4 ºC

para o coletor de PVC com sobreposição da placa de proteção transparente. O gradiente de

temperatura registrado no instante em que ocorria a temperatura máxima foi de 14,5 ºC.

Observa-se que o coletor de PVC acoplado à placa transparente levou um tempo aproximado

de 4 h para acrescentar 26,9 ºC à temperatura inicial de entrada de água no coletor. A

eficiência diária calculada para este ensaio foi de 78,8 %.

Comparando-se os resultados das Figuras 4.17 e 4.18, nos quais há a sobreposição

da placa de proteção transparente aos coletores alternativos, com os resultados da Tabela 4.8,

para ensaios nas mesmas condições, porém com ausência de placa de proteção transparente,

nota-se que não houve acréscimo de temperatura no experimento do coletor de PP, ao passo

em que foi registrado um aumento de 8,2 ºC para o experimento utilizando coletor de PVC

acoplado à proteção transparente.

A Tabela 4.10, a seguir, mostra uma síntese dos resultados de temperatura máxima e

eficiência diária obtidos nos ensaios com e sem a presença da placa de proteção transparente.

Tabela 4.10 – Temperatura Máxima e Eficiência Diária para Ensaios com Presença e Ausência de Proteção Transparente.

Ensaios Termossifão 20 L/h 40 L/h 60 L/h Com Proteção 49,2 50,1 42,5 43,0

TMAX (ºC) Sem Proteção 45,03 46,8 44,0 46,4 Com Proteção 44,5 35,3 50,1 57,1

PP

Eficiência Diária (%) Sem Proteção 67,87 67,8 74,4 68,7

Com Proteção 45,9 46,8 42,0 42,4 TMAX (ºC) Sem Proteção 34,8 38,1 29,8 34,2

Com Proteção 85,7 42,1 44,3 78,8

PVC

Eficiência Diária (%) Sem Proteção 49,3 48,1 12,6 12,1

Nos ensaios ativos pôde-se verificar, para as três vazões de bombeamento, que a

sobreposição de uma placa de proteção transparente ao coletor alternativo de PVC

proporcionou um aumento significativo em sua temperatura máxima atingida, em relação aos

experimentos nos quais não havia presença de placa de proteção transparente. Já o coletor de

PP acoplado à proteção transparente não apresentou diferença significativa em relação aos

resultados obtidos quando não havia presença de placa de proteção transparente.

A Tabela 4.11 mostra os tempos de residência tR da água no interior de cada coletor

para cada tipo de escoamento estudado nos ensaios, a saber, sistemas ativos bombeados a 20

L/h, 40 L/h e 60 L/h, e sistema passivo (ou termossifão). Para os sistemas ativos, os cálculos


foram feitos utilizando os valores de vazão volumétrica e volume das placas coletoras. Para o

sistema termossifão o cálculo foi feito usando-se os princípios de balanço de energia para o

fluido nos boilers. No Apêndice C está descrita a metodologia utilizada para o cálculo do

tempo de residência no termossifão.

Tabela 4.11 – Tempo de Residência para cada Configuração.

tR (min) Ensaio

PVC PP

Termossifão 15,2 11,5

20 L/h 30,0 12,0

40 L/h 15,0 6,0

60 L/h 10,0 4,0

Acredita-se que o fato do uso de proteção transparente conjuntamente com

bombeamento apenas favorecer o aumento da temperatura do fluido no coletor de PVC tenha

a ver com o tempo de residência do fluido em cada um dos coletores. Em se tratando do

sistema termossifão, verificou-se que o tempo de residência do fluido no coletor de PVC foi

aproximadamente 30% maior do que no coletor de PP. Em ambos, a proteção transparente

favoreceu para com o aumento da temperatura. Por sua vez, em se tratando dos sistemas

bombeados, verificou-se que o tempo de residência do fluido no coletor de PVC foi

aproximadamente 250% maior do que no coletor de PP. Assim, um maior tempo de contato

do fluido com a superfície interna do coletor de PVC deve ter contribuído para que a

temperatura do fluido aumentasse quando comparada à estrutura de PP.

4.4 ENSAIOS REGIME CONTÍNUO

Foram realizados ensaios em regime contínuo, também chamados de ensaios de

‘simulação de banhos’, nos quais durante o período do dia em que se verificava uma forte

insolação, ocorriam entrada e saída de água, simultâneas, da unidade experimental.

Foram experimentados banhos no sistema passivo e no sistema ativo, nas três vazões

de bombeamento, com a ausência e a presença da placa de proteção transparente. Os

resultados são expostos na forma de gráficos que mostram a distribuição de temperatura nos

boilers dos coletores alternativos, a fim de se verificar as perturbações causadas pelo regime

contínuo.


4.4.1 SISTEMA TERMOSSIFÃO

Foi realizado um ensaio com sistema termossifão em regime contínuo e sem placa

de proteção transparente no dia 07/04/2010. As Figuras 4.19 e 4.20 mostram as distribuições

de temperatura nos boilers dos coletores de PP e de PVC, respectivamente.

Figura 4.19 – Experimento termossifão, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 07/04/2010, no coletor alternativo de PP.

Observa-se, através da Figura 4.19, que foi simulado um banho de uma hora de

duração com a água proveniente do boiler do aquecedor de PP. Pode-se verificar que no

momento em que se inicia a entrada água fria (água à temperatura ambiente) na unidade, a

temperatura da água na camada inferior do boiler diminui bruscamente, indicando que a água

aquecida, por ter menor densidade, sobe para as posições intermediária e superior do

reservatório. Nota-se que é possível se obter água numa temperatura média de 38,2 ºC

(agradável para banho) por aproximadamente 20 minutos e que, depois desse tempo, o

reservatório mantém as três camadas de estratificação por aproximadamente 15 minutos,

quando a camada intermediária se resfria, aproximando sua temperatura à da camada inferior

de água no reservatório.


Figura 4.20 – Experimento termossifão, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 07/04/2010, no coletor alternativo de PVC.

Através da Figura 4.20 nota-se que é possível, para o boiler do coletor de PVC, se

obter água numa temperatura média de 42,6 ºC durante os quarenta minutos de duração do

experimento. Verifica-se também que a entrada de fluido frio no reservatório provoca uma

queda na temperatura da água presente na seção inferior do reservatório. Somente nos últimos

quinze minutos do experimento é que se pode observar a formação das três camadas de

estratificação do boiler. No dia 17/04/2010 foi realizada a simulação de banho em um sistema

termossifão acoplado a uma placa de proteção transparente. Os resultados desse ensaio são

mostrados nas Figuras 4.21 e 4.22.

Figura 4.21 – Experimento termossifão, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 17/04/2010, no coletor alternativo de PP.


Pela Figura 4.21, para o reservatório do coletor de PP, nota-se que é possível se

obter água à temperatura média máxima de 35,2 ºC por aproximadamente vinte minutos,

sendo possível se observar que logo após esse período, o boiler passa a apresentar as três

camadas de estratificação de água por aproximadamente 15 minutos, quando as camadas

inferior e intermediária praticamente igualam suas temperaturas.

Figura 4.22 – Experimento termossifão, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 17/04/2010, no coletor alternativo de PVC.

Já na Figura 4.22, para o boiler do coletor de PVC, observa-se que é possível se

obter água à temperatura de 38,3 ºC por aproximadamente 40 minutos (todo o tempo do

ensaio para o banho do coletor de PVC), e que o reservatório mantém suas três camadas de

estratificação por praticamente todo o período do experimento, sendo, no entanto, o gradiente

de temperatura entre as camadas superior e intermediária em média de 2,0 ºC.

4.4.2 SISTEMAS ATIVOS

Os ensaios ativos foram realizados em três vazões distintas de bombeamento, a

saber, 20 L/h, 40 L/h e 60 L/h, em experimentos com ausência e presença de placa protetora

transparente sobreposta aos coletores alternativos.


4.4.2.1 VAZÃO DE 20 L/h

Foi realizado um ensaio de simulação de banho, bombeado a 20L/h e sem placa de

proteção transparente, no dia 19/03/2010. Os resultados são mostrados nas Figuras 4.23 e

4.24.

Figura 4.23 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 19/03/2010, no coletor alternativo de PP.

A Figura 4.23 mostra o comportamento do reservatório do coletor de PP durante o

período de uma hora de simulação de banho, em que acontecem, simultaneamente, a entrada e

saída de água do sistema de aquecimento solar. Verifica-se que é possível se obter água à

temperatura média de 41,7 ºC por aproximadamente quarenta minutos. Nota-se que o boiler,

após os vinte primeiros minutos de banho, mantém as três camadas de estratificação por

aproximados vinte minutos, quando a temperatura da camada intermediária de água se

aproxima da temperatura da camada inferior.

O comportamento do boiler do coletor de PVC é mostrado através da Figura 4.24,

na qual se observa que é possível se obter água à temperatura de 47,1 ºC por todo o período

de tempo do experimento (40 minutos), durante o qual também se pode notar a existência das

três camadas de estratificação.


Figura 4.24 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 19/03/2010, no coletor alternativo de PVC.

No dia 15/04/2010 foi realizado um experimento ativo, bombeado a 20 L/h, em

regime contínuo (simulação de banho) e com a sobreposição de uma placa de proteção

transparente aos coletores. Os resultados de distribuição de temperatura nos reservatórios dos

coletores de PP e PVC são mostrados através das Figuras 4.25 e 4.26, respectivamente.

Figura 4.25 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 15/04/2010, no coletor alternativo de PP.


A Figura 4.25 mostra a distribuição de temperatura no reservatório do coletor de PP

acoplado a uma placa transparente. Pode-se observar que durante trinta minutos é possível se

obter um banho à temperatura média de 37,7 ºC. Logo após esse período, nota-se a formação

das três camadas de estratificação no reservatório, que se mantém separadas por

aproximadamente quinze minutos.

Para o coletor de PVC acoplado à placa de proteção transparente, conforme a Figura

4.26, observa-se que é possível se obter água a uma temperatura média de 42,0 ºC durante os

quarenta minutos de ensaio, período em que se pode observar as três camadas de

estratificação do fluido no reservatório.

Figura 4.26 – Experimento ativo bombeado a 20 L/h, em regime contínuo e com proteção transparente, realizado no dia 15/04/2010, no coletor alternativo de PVC.

4.4.2.2 VAZÃO DE 40 L/h

Foi realizado, no dia 09/03/2010, um experimento de banho com vazão de

circulação da bomba de 40 L/h e sem a utilização da placa protetora transparente sobre os

coletores alternativos. As Figuras 4.27 e 4.28 mostram os resultados obtidos.

Observa-se pela Figura 4.27, que o reservatório do coletor de PP proporciona trinta e

cinco minutos de banho à temperatura de 35,5 ºC. Nota-se que após esse período, dá-se início

à formação das três camadas de estratificação no boiler, as quais permanecem separadas por

aproximadamente quinze minutos, quando há uma aproximação da temperatura da camada

intermediária com a camada inferior.


Figura 4.27 – Experimento ativo bombeado a 40 L/h, em regime contínuo e sem proteção transparente, realizado no dia 09/03/2010, no coletor alternativo de PP.

A Figura 4.28 mostra a distribuição de temperatura do boiler do coletor de PVC

durante o ensaio de simulação de banho ativo bombeado a 40 L/h e sem placa de proteção

transparente. Observa-se que é possível se obter água à temperatura média de 37,5 ºC durante

os quarenta minutos do ensaio. Pode-se perceber estratificação no reservatório nos últimos

trinta minutos do experimento, sendo, no entanto, o gradiente de temperatura entre as

camadas superior e intermediária de aproximadamente 3,4 ºC.



No dia 19/04/2010 foi realizado um experimento utilizando uma vazão de circulação

de 40 L/h para a simulação de um banho com água proveniente dos coletores alternativos

acoplados a uma placa de proteção transparente. As Figuras 4.29 e 4.30 mostram os resultados

obtidos, respectivamente, para os reservatórios dos coletores de PP e de PVC.

A Figura 4.29 mostra a distribuição de temperatura no boiler do coletor de PP. Pode-

se observar que esse ensaio proporcionou um banho de cinqüenta minutos com temperatura

média de 37,8 ºC. Nota-se que somente nos vinte minutos finais do experimento houve a

formação das três camadas de estratificação no reservatório.


Para o reservatório do coletor de PVC acoplado à placa de proteção transparente,

conforme Figura 4.30, observa-se uma temperatura média de 40,5 ºC num banho de quarenta

minutos. Nota-se a formação das três camadas de estratificação no reservatório por

praticamente todo o período do experimento, sendo, no entanto, o gradiente aproximado de

temperatura entre a camada superior e a camada intermediária de 2,3 ºC.



4.4.2.3 VAZÃO DE 60 L/h

No dia 10/03/2010 foi realizado um experimento de simulação de banho no sistema

ativo, bombeado a 60 L/h e com ausência de placa de proteção transparente sobreposta aos

coletores alternativos. Os resultados são mostrados através de gráficos de distribuição de

temperatura nos reservatórios dos coletores alternativos, conforme se observa através das

Figuras 4.31 e 4.32.

Figura 4.31 – Experimento ativo bombeado a 60 L/h, em regime contínuo e sem proteção

transparente, realizado no dia 10/03/2010, no coletor alternativo de PP.


Pela Figura 4.31 observa-se que, para o reservatório acoplado ao coletor de PP e sem

a placa protetora transparente, foi possível se obter um banho com temperatura média de

39,1ºC por trinta e cinco minutos. Notam-se, praticamente durante todo o período do

experimento, apenas duas camadas de água em temperatura diferente dentro do boiler, o que

pode ser explicado pelo fato de que uma vazão de bombeamento de 60 L/h gera turbulência

no reservatório, provocando uma mistura entre as camadas de água.

Para o reservatório do coletor de PVC, conforme a Figura 4.32, a simulação do

banho em sistema ativo com vazão de circulação de 60 L/h e ausência de placa de proteção

transparente, proporcionou quarenta minutos de banho a uma temperatura média de 43,1 ºC,

sendo observada a estratificação do boiler em três camadas nos últimos vinte minutos do

ensaio.


No dia 27/04/2010 foi realizado um experimento de simulação de banho em sistema

ativo, com vazão de circulação de 60 L/h e sobreposição da placa de proteção transparente aos

coletores alternativos. As Figuras 4.33 e 4.34 mostram os resultados obtidos para o boiler do

coletor de PP e para o boiler do coletor de PVC, respectivamente.



Para o reservatório do coletor de PP, conforme Figura 4.33, pode-se observar que foi

possível se obter um banho de temperatura média de 39,7 ºC por um período de quarenta

minutos. Analisando-se as temperaturas da camada intermediária e da camada superior,

verifica-se uma turbulência no reservatório, que foi ocasionada pela vazão de circulação de 60

L/h.



A Figura 4.34 mostra a distribuição de temperatura para o experimento utilizando

uma vazão de 60 L/h numa simulação de banho com sobreposição de placa de proteção

transparente ao coletor de PVC. Pode-se notar que tal configuração proporcionou uma

temperatura média de 42,2 ºC para um banho de quarenta minutos. Nota-se que nos trinta e

cinco minutos finais do ensaio o boiler manteve suas três camadas de estratificação.

Para efeito de comparação entre os experimentos de simulação de banho, os

resultados de cada configuração foram sintetizados na Tabela 4.12, a seguir.

Pode-se observar que, tanto para o experimento termossifão quanto para o

experimento ativo bombeado a 20 L/h, a sobreposição da placa de proteção transparente a

ambos os coletores alternativos não ocasionou uma melhora nos níveis de temperatura do

banho. As maiores temperaturas para banho, nessas duas configurações, foram encontradas

para o coletor de PVC com ausência da placa protetora transparente, apesar do fato de que as

temperaturas registradas para o coletor de PP também são consideradas agradáveis para

banho.

Tabela 4.12 – Síntese dos Resultados do Experimento Contínuo. Temperatura do banho (ºC) Tempo de banho (min)

Experimento PVC PP PVC PP

Com Proteção 38,3 35,2 40 20 Termossifão

Sem Proteção 42,6 38,2 40 20

Com Proteção 42,0 37,7 40 30 20 L/h

Sem Proteção 47,1 41,7 40 40

Com Proteção 40,5 37,8 40 50 40 L/h

Sem Proteção 37,5 35,5 40 35

Com Proteção 42,2 39,7 40 40

Ativo

60 L/h Sem Proteção 43,1 39,1 40 35

Considerando-se os resultados das seções 4.3.1 e 4.3.2.1, através dos quais se

verifica um aumento significativo nas temperaturas de saída dos ensaios no coletor de PVC

acoplado à proteção transparente, em relação aos ensaios nos quais não há tal proteção, pode-

se concluir, que o fluido está perdendo calor na saída do boiler, seja por difusão entre as

camadas, para o sistema ativo com vazão de 20 L/h, ou por causa da turbulência gerada pela

vazão de circulação do sistema termossifão, que, de acordo com os cálculos, tem um valor


médio de 42,96 L/h para o coletor de PVC e de 22,71 L/h para o coletor de PP, provocando a

mistura das camadas no boiler do coletor de PVC.

Já a vazão de circulação de 40 L/h se mostrou adequada para transferir o aumento de

calor recebido pelo coletor quando este se encontrava acoplado à proteção transparente, fato

que se verifica ao se observar que as temperaturas dos experimentos com proteção

transparente são maiores, para ambos os coletores alternativos, que as temperaturas de banho

registradas para os experimentos sem proteção transparente. Para os experimentos que

contavam com a presença da placa de proteção transparente, foi registrada uma maior

temperatura de banho no ensaio com o coletor de PVC em relação ao ensaio com o coletor de

PP. No entanto, o tempo de banho a uma temperatura agradável, proporcionado pelo ensaio

com o coletor de PP, superou o tempo de banho no ensaio com o coletor de PVC.

Para vazão de circulação de 60 L/h praticamente não houve alteração dos resultados

obtidos para os ensaios com a proteção transparente, em relação aos resultados dos ensaios

sem a proteção transparente. Verifica-se que, para ambas as configurações, o ensaio com o

coletor de PVC proporcionou temperaturas de banho mais altas que as temperaturas de banho

obtidas nos ensaios do coletor de PP. A semelhança entre os resultados dos ensaios com e sem

a placa de proteção transparente é devida ao baixo tempo de residência que a vazão de 60 L/h

proporciona ao fluido em ambos os coletores, em relação às outras vazões de escoamento, não

fornecendo ao coletor tempo suficiente para transferir ao fluido uma maior quantidade de

energia. No entanto, mesmo contando com um tempo de residência pequeno, as temperaturas

registradas nos ensaios de banho para ambos os coletores, com e sem proteção, bombeados a

60 L/h, se mostraram adequadas para banho. Percebe-se que a ausência de estratificação no

boiler do coletor de PP não impede o usuário de usufruir de água a 39,0 ºC por

aproximadamente 40 minutos.

CAPÍTULO V

CONCLUSÃO

A análise dos diagramas de distribuição de temperaturas, mais especificamente

através do conhecimento dos valores máximos registrados em cada configuração estudada,

assim como os valores dos gradientes e da eficiência diária, conduziu às seguintes conclusões:

o Proteção Transparente (Regime batelada): o coletor de PVC apresentou melhores

resultados nos experimentos em que contava com o efeito estufa provocado pela

presença da placa de proteção transparente, elevando a temperatura máxima de saída

da água, em todas as configurações estudadas, em média 10 ºC; Especificamente para

os sistemas ativos, o tempo de residência do fluido no coletor de PVC foi

aproximadamente 250% maior do que no coletor de PP, propiciando um maior tempo

de contato do fluido com a superfície interna do coletor de PVC, o que contribuiu para

que a temperatura do fluido aumentasse quando comparada à estrutura de PP. Porém,

mesmo não apresentando aumentos significativos nas temperaturas máximas de saída

da água para os ensaios que utilizaram a proteção transparente, coletor de PP resultou

em valores de temperatura máxima de saída de água semelhantes às obtidas no coletor

de PVC acoplado à proteção transparente, em todas as configurações.

o Escoamento Passivo (Regime batelada): o coletor de PP apresentou temperaturas mais

altas em todos os experimentos do tipo termossifão realizados, sendo registrado um

gradiente médio de temperatura de 10,14 ºC nos ensaios realizados no coletor de PP

em relação aos ensaios realizados no coletor de PVC.

o Escoamento Ativo (Regime batelada): em ambos os coletores, as temperaturas

máximas alcançadas nos experimentos bombeados a 20 L/h apresentaram maiores

valores que as temperaturas máximas registradas nas outras vazões utilizadas, apesar

de que esses valores se aproximaram dos valores de temperatura máxima obtidos para

a vazão de 60 L/h. O coletor de PP apresentou temperaturas mais altas que o coletor de

PVC em todas as vazões experimentadas. No entanto, o uso de bombeamento não

aumentou a temperatura do fluido, em ambos os coletores alternativos, quando

comparado ao sistema termossifão, pois um aumento da vazão (e conseqüente

Capítulo V – Conclusão_____________________________________________________ 83

aumento do coeficiente de película) não alterou o fato de que o fenômeno de

transferência de calor continuava sendo controlado pela condução.

o Simulação dos banhos (Regime contínuo): nos ensaios ativos realizados com a

utilização da proteção transparente, as três vazões de bombeamento forneceram água à

temperatura agradável para banho, proveniente de ambos os coletores. Os ensaios no

coletor de PVC apresentaram temperatura de banho mais alta que os ensaios do coletor

de PP, para todas as configurações analisadas. Nos experimentos que utilizaram a

proteção transparente, a vazão de 20 L/h proporcionou melhores temperaturas para

banho em ambos os coletores, com um tempo de 40 minutos de banho para cada placa

coletora. A configuração ativa bombeada a 60 L/h também resultou em temperatura

agradável para um banho de aproximadamente 40 minutos para ambos os coletores.

Se o usuário optar por usar o coletor de PVC, resultados melhores de temperatura

serão obtidos para um sistema ativo com vazão de 20 L/h, associado a uma proteção

transparente. No caso da escolha ser por um coletor de PP em sistema ativo, a vazão

apropriada seria de 20 L/h, aliada, porém, a um sistema sem proteção transparente. No

entanto, o uso de outras vazões variará em poucos graus a temperatura máxima alcançada,

podendo, igualmente, serem utilizadas para uso doméstico.

Contudo, cabe salientar que, se o objetivo do usuário for obter um sistema ASBC

mais simplificado, uma escolha apropriada seria usar o coletor alternativo de polipropileno

(sem proteção transparente) associado ao sistema de recirculação natural (ou termossifão)

que, no entanto, possibilita um banho de 20 minutos a 38,2ºC. Tal opção, seja pela

simplicidade do sistema ou facilidade de manuseio, faz jus ao objetivo principal deste

trabalho, que por sua vez está focado no projeto de aquecedor solar eficiente e de baixo custo,

acessível à grande massa da população de baixa renda. Não obstante, uma nova fonte de

recursos renováveis implica em se evitar o desperdício de água e contribuir favoravelmente

para a ecoeficiência e conservação do meio ambiente.

Sugestões para Trabalhos Futuros

Ficam como sugestões para trabalhos futuros: o uso de coletores alternativos planos

de mesmo volume, para possibilitar uma melhor comparação entre eles; a montagem de uma

unidade com maior flexibilidade da inclinação dos coletores, possibilitando, assim, variar o

ângulo de inclinação em relação à superfície de acordo com as estações do ano; o uso de

Capítulo V – Conclusão_____________________________________________________ 84

ferramentas computacionais que permitam a visão interna do que acontece com o fluido no

interior da unidade experimental durante diferentes configurações de experimento; a

construção de uma unidade experimental com número de coletores e boilers suficiente para

atender a todas as configurações analisadas em um mesmo dia de ensaio, a fim de tornar a

comparação entre eles um dado qualitativo, uma vez que as condições de execução do

experimento serão idênticas; o uso de vazões superiores a 60 L/h no escoamento bombeado a

fim de analisar as temperaturas de saída de água, pois, mesmo concordando que haverá

perturbações no boiler, o objetivo final do usuário é obter água quente na saída do

reservatório, não importando o comportamento do fluido no interior do mesmo; estudar

maneiras de se evitar a perda de calor do reservatório de baixo custo durante os períodos nos

quais não há insolação, como por exemplo, à noite; o estudo dos concentradores solares, que

podem aquecer grande quantidade de água utilizando uma área menor que os coletores planos.

ANEXO A

RESULTADOS DOS EXPERIMENTOS TERMOSSIFÃO REALIZADOS

NO AQUECEDOR SOLAR CONVENCIONAL

A seguir serão apresentados os valores obtidos nos experimentos termossifão

realizados por SIQUEIRA (2009) no aquecedor solar convencional.

A Tabela A.1 mostra os valores calculados de eficiência e temperatura máxima dos

reservatórios alternativos nos dias de ensaio no aquecedor solar convencional.

Tabela A.1 – Eficiência e Temperatura dos Reservatórios (Fonte: SIQUEIRA, 2009)

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Aquecimento de Água Residencial para a Variação dos Balanços de Gases de Efeito

Estufa na Atmosfera. Boletim Técnico, Dep. de Engenharia de Construção Civil/Escola

Politécnica, USP, 2003.

THIRUGNANASAMBANDAM, M., INIYAN, S., GOIC, R., A Review of Solar Thermal

Technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews 14, p. 312–322, 2010.

APÊNDICE A

DISTRIBUIÇÃO DE TEMPERATURA PARA OS DEMAIS

EXPERIMENTOS

Distribuições de temperatura dos experimentos termossifão e ativos (bombeados a

20, 40 e 60 L/h) em regime batelada, com ausência de placa de proteção transparente.

A.1 EXPERIMENTOS TERMOSSIFÃO

Ensaios realizados nos dias 01/07/2009, 02/07/2009, 04/07/2009, 10/07/2009,

11/07/2009, 13/07/2009, 14/07/2009, 28/07/2009, 30/07/2009, 31/07/2009 e 04/08/2009.

(a) (b)

Figura A.1 – Experimento termossifão em regime batelada, sem proteção transparente, realizado no dia 01/07/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC.

Apêndice A_______________________________________________________________ 91

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________ 92

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

93

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

94

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

95

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

96

A.2 EXPERIMENTOS ATIVOS

A.2.1 BOMBEADOS A 20 L/h

(a) (b)

Figura A.12 – Experimento ativo, bombeado a 20 L/h, em regime batelada e sem proteção transparente, realizado no dia 15/07/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC.

(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

97

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

98

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

99

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

100


(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

101

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

102

(a) (b)



(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

103

(a) (b)


(a) (b)


Apêndice A_______________________________________________________________

104

(a) (b)


(a) (b)

Figura A.29 – Experimento ativo, bombeado a 60 L/h, em regime batelada e sem proteção

transparente, realizado no dia 18/11/2009, no coletor alternativo: (a) PP e (b) PVC.

APÊNDICE B

CURVAS DE CALIBRAÇÃO

Curva de calibração das bombas peristálticas acopladas aos coletores alternativos.

Figura B.1 – Fotografia da bomba peristáltica com inversor de freqüência (SIQUEIRA, 2009).

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Ajuste do Inversor de Frequência (-)

0

10

20

30

40

50

60

70

Vaz

ão (

L/h)

y=(0,032831)*x+(2,16378)

Figura B.2 – Curva de Calibração da Bomba acoplada ao coletor de PVC.

Apêndice B_______________________________________________________________ 106

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Ajuste do Inversor de Frequência (-)

0

10

20

30

40

50

60

70

Vaz

ão (

L/h)

y=(0,030386)*x+(2,95651)

Figura B.3 – Curva de Calibração da Bomba acoplada ao coletor de Polipropileno.

APÊNDICE C

METODOLOGIA TEÓRICA PARA A REALIZAÇÃO DO CÁLCULO

DO TEMPO DE RESIDÊNCIA PARA O SISTEMA TERMOSSIFÃO

A Equação C.1 indica o Balanço de Energia no reservatório acoplado ao coletor.

SEp HmHmdt

dTVc ɺɺ −=ρ (C.1)

Tem-se que ρ = 1000 [kg/m3], o calor específico médio da água (cp) é 4,183 kJ/kgºC,

V é o volume do reservatório alternativo, mɺ [kg/min] é a vazão mássica de escoamento do

fluido, HE [kJ/kg] é a entalpia de entrada no reservatório e HS [kJ/kg] é a entalpia de saída do

reservatório. Sabe-se que:

)(

)(

SS

EE

TfH

TfH

==

(C.2)

)(

)(

thT

tgT

S

E

==

(C.3)

nas quais TE é a temperatura de entrada do fluido no reservatório e TS é a temperatura de saída

do fluido do reservatório.

Foi escolhido o ensaio termossifão do dia 29/07/2009 para representar os demais.

Conhecendo-se as temperaturas de entrada e saída dos reservatórios, os valores de entalpia de

entrada e saída foram facilmente localizados numa tabela de propriedades termodinâmicas.

Integrando-se a Equação C.1, é possível se conhecer o valor de mɺ .Através dos valores de

volume do coletor e da densidade do fluido, é possível se calcular o tempo de residência pela

Equação C.4, na qual VP é o volume do coletor.

m

Vt p

Rɺ

ρ= (C.4)

Esses cálculos foram realizados para ambos os coletores, uma vez que possuíam

volumes distintos.

APÊNDICE D

CARACTERÍSTICAS OBSERVADAS NOS DIAS DOS ENSAIOS

A Tabela D.1, a seguir, mostra o relatório de observações para cada dia de ensaio.

Tabela D.1 – Características Climáticas dos Dias de Ensaio.

Características do dia Data

Manhã Tarde

01/07/2009 Céu claro parcialmente nublado Ensolarada

02/07/2009 Ensolarada Ensolarada

04/07/2009 ... ...

06/07/2009 ... ...


11/07/2009 Ensolarada Céu claro parcialmente nublado










04/08/2009 Ensolarada Céu nublado


10/08/2009 Céu claro parcialmente nublado Ensolarada






08/09/2009 Ensolarada Céu nublado

Apêndice D_______________________________________________________________

109


14/09/2009 Ensolarada Céu parcialmente nublado





12/11/2009 Céu parcialmente nublado Céu parcialmente nublado


18/11/2009 Céu parcialmente nublado Céu parcialmente nublado






10/03/2010 Céu parcialmente nublado Ensolarada

12/03/2010 Céu parcialmente nublado Céu nublado




17/04/2010 Ensolarada Céu parcialmente nublado



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